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degli ingredienti delle gomme avviene tipicamente in mescolatori discontinui chiusi

(mescolatori interni) come ad esempio i mescolatori Banbury, schematicamente rappresentati

in Figura 24.3. Questi sono mescolatori intensivi: grazie anche all’elevata viscosità della

gomma, introducono nel materiale elevati sforzi di taglio, che consentono la rottura degli

aggregati solidi (cariche, coloranti, ecc.) e un’efficiente dispersione degli additivi. Nel

mescolatore Banbury il processo è discontinuo: gli ingredienti vengono alimentati nella

camera di miscelazione attraverso una tramoggia, dove due rotori controrotanti generano

un’elevata azione di taglio sul materiale. L’azione di taglio e l’attrito interno del polimero

richiedono potenze di macchina molto elevate e determinano un forte riscaldamento della

massa lavorata.

Per evitare la vulcanizzazione prematura (scorching) la miscelazione degli ingredienti viene

condotta in due fasi. Nella prima fase vengono alimentati tutti gli ingredienti non reattivi

come nerofumo, altre cariche, lubrificanti, stabilizzanti termici, antiossidanti, ecc. In questa

fase non è aggiunto il vulcanizzante ed è consentita una temperatura più alta. In una seconda

fase di miscelazione, a più bassa temperatura, viene aggiunto il vulcanizzante (spesso a base

zolfo) con eventuali altri coadiuvanti di processo. In questa fase la temperatura viene

generalmente mantenuta al di sotto di 100 °C. La miscelazione avviene solitamente in pochi

minuti.

Dopo la miscelazione, in funzione del prodotto finale, il materiale viene a volte sottoposto ad

una preformatura in calandra o in estrusore per ottenere lastre o profili continui da alimentare

ai successivi processi di formatura per ottenere i manufatti desiderati. Tutte le eventuali

lavorazioni precedenti la produzione del manufatto avvengono a temperatura controllata per

evitare la reticolazione prematura.

La vulcanizzazione viene completata nella fase finale di formatura e richiede solitamente

riscaldamento a temperature intorno o superiori a 150 °C. La formatura richiede normalmente

anche l’applicazione di pressione per ridurre la presenza di bolle dovute alla emissione di

sostanze volatili presenti nella mescola o generate durante la vulcanizzazione stessa.

24.3.1 La calandratura

La Calandratura è un processo

utilizzato principalmente per la lavorazione

delle gomme, anche se trova impiego anche

nella produzione di film, foglie e lastre in

polimeri termoplastici ad alta viscosità. Il

processo consiste nella produzione di fogli di

spessore sensibilmente costante attraverso il

passaggio tra cilindri rotanti. Normalmente

sono necessari più passaggi attraverso rulli

per ottenere spessori accuratamente

controllati; una calandra è quindi costituita da

più cilindri riscaldati, solitamente quattro, controrotanti. La presenza di una superficie incisa

in questi ultimi rulli consente di riprodurre eventuali rugosità, goffrature o disegni superficiali

sulla lastra.

Per garantire il percorso del foglio, evitando sollevamenti e distacchi dai cilindri, le velocità

di rotazione aumentano leggermente passando dal primo cilindro a quelli successivi. Per la

stessa ragione, anche la temperatura non è uguale per tutti i cilindri. L'accurato controllo degli

spessori richiede un altrettanto accurato controllo della distribuzione di temperatura

superficiale dei cilindri e della loro flessione Il riscaldamento del materiale è

necessario anche per ridurre le coppie e

le forze sui cilindri. La pressione

esercitata dal polimero sui cilindri

comporta forti spinte che tendono a

separare e a flettere i cilindri; queste

forze sono tanto più elevate quanto

maggiore è la viscosità del polimero e

quanto minore è lo spessore del foglio

prodotto. Spinte tra i cilindri di decine di

tonnellate sono piuttosto comuni. La

flessione dei cilindri deve essere corretta

per evitare disuniformità di spessore tra

centro e lati del foglio. La flessione dei

cilindri viene compensata mediante tre

metodi alternativi o combinati:

a) utilizzando cilindri a "barile", con

profilo bombato al centro.

b) imponendo una controflessione sull'albero di rotazione che si oppone all'effetto di flessione

esercitato dal materiale.

c) disassando i cililindri per compensare le variazione della luce tra i cilindri.

CAPITOLO 29

TECNOLOGIE DEI POLIMERI TERMOPLASTICI

29.1 Le operazioni unitarie

la trasformazione delle materie plastiche passa attraverso operazioni tecnologiche che

possono essere suddivise e classificate in operazioni elementari secondo la loro funzione.

29.2 L'estrusione

l’estrusione delle materie plastiche consiste nel portare il materiale allo stato di fluido viscoso

(ci si riferisce comunemente a "fusione" anche se nel caso di polimeri amorfi il termine non

si riferisce ad un passaggio di stato termodinamico) e farlo fluire in pressione attraverso una

filiera opportunamente sagomata; l'alta viscosità e il raffreddamento del fuso a valle della

filiera (in inglese "die") consentono di ottenere un profilato di lunghezza virtualmente infinita.

L'estrusore monovite è formato da una vite senza fine ad uno o più filetti che ruota all'interno

di un cilindro stazionario (barrel), riscaldato mediante resistenze elettriche. Il materiale,

solitamente in forma di granuli o, meno comunemente, di polveri, è alimentato ad un estremo

della vite tramite una tramoggia. All'altro estremo è montata la filiera attraverso la quale viene

formato il profilo estruso. A valle dell'estrusore un sistema di raffreddamento, mediante getti

di aria e/o acqua oppure per immersione in un bagno porta a completa solidificazione il profilo

ottenuto, che viene poi tagliato a misura o raccolto su bobine.

Il granulo che entra dalla tramoggia viene trasportato dalla vite e, per effetto di attrito con la

parete del cilindro e scambio termico con lo stesso cilindro caldo, viene riscaldato e portato a

fusione. La fusione inizia in corrispondenza dell’aumento di sezione del nocciolo della vite.

Il passaggio allo stato fuso, infatti, riduce il volume apparente dei granuli espellendo l’aria

inglobata; i granuli vengono premuti sulla parete del cilindro aumentando l’efficienza del

contatto con la superficie riscaldata. Inoltre, il moto del materiale in fase di fusione introduce

una forte dissipazione viscosa che dà il maggiore contributo al riscaldamento del polimero.

a fusione si completa al termine della zona a nocciolo variabile. L’ultima zona a sezione di

nocciolo costante ha lo scopo di omogeneizzare il materiale e la sua temperatura portando a

fusione eventuali residui infusi.

In testa all’estrusore, prima dell’entrata in filiera, il polimero fuso attraversa un pacco filtri

supportato dal breaker: i filtri hanno la funzione di bloccare eventuali impurità, fermare

eventuali infusi, introdurre una perdita di carico per regolare la pressione di funzionamento

dell’estrusore.

Il sistema estrusore-filiera è assimilabile ad un sistema idraulico costituito da una pompa

(l’estrusore) e un circuito di mandata aperto (la filiera). La pressione raggiunta all’ingresso

della filiera consente il flusso del fuso vincendo le perdite di carico attraverso la stessa filiera.

si nota che, per un determinato estrusore, e definita la geometria della filiera, che dipenderà

dal manufatto da ottenere, le condizioni di pressione e portata sono dettate dal numero di giri

della vite. L’aumento della velocità di

rotazione consente di aumentare la produttività

del processo, incrementando la portata, ma

riduce il tempo di residenza del materiale in

macchina con possibili perdite di qualità a

causa di incompleta fusione.

Un fenomeno comune che si osserva nell’uscita

di un polimero da una filiera o da un condotto

in generale è il rigonfiamento del fuso (die

swelling). L’estruso risulta avere una sezione di

area superiore a quella della sezione di passaggio.

Anche la lunghezza della filiera influenza le caratteristiche dell’estruso e del processo: una

lunghezza elevata riduce il rigonfiamento, impone linee di flusso parallele e riduce effetti di

“memoria” del fuso ma introduce elevate perdite di carico, maggiori orientamenti nel fuso e

richiede elevate pressioni operative.

Il passaggio in filiera e lo stiro indotto dal sistema di traino provocano l’orientamento delle

molecole del fuso che viene almeno parzialmente conservato nella solidificazione, durante il

passaggio nella zona di raffreddamento. Il manufatto ottenuto, quindi, risulta orientato e con

caratteristiche meccaniche anisotrope: resistenza e deformabilità risultano normalmente

superiori nella direzione di estrusione.

29.3 La produzione di film soffiato (blown film)

L’orientamento del polimero in due direzioni (biassiale) consente di ottenere film con ottime

caratteristiche di resistenza nel piano. Tale stato di orientamento viene ottenuto nella

produzione di film soffiato. In questo processo, un estrusore e dotato di una filiera anulare

rivolta verso l’alto. La filiera produce un tubolare che viene stirato nella direzione di uscita

in modo continuo e all’interno del quale è stata insufflata aria che ne provoca l’espansione in

forma di bolla. L’aria nella bolla è contenuta da una coppia di rulli pinzatori a chiusura del

tubolare.

29.4 Lo stampaggio ad iniezione

lo stampaggio ad iniezione è la principale tecnica per ottenere componenti di dimensioni finite

in materia plastica. Il principio alla base del processo è di iniettare il polimero fuso all’interno

di uno stampo chiuso, raffreddato, in cui avviene la solidificazione. L’impianto è costituito

da tre unità principali: il sistema di iniezione, il sistema di chiusura, lo stampo.

Il sistema di iniezione è costituito da una tramoggia, un cilindro (barrel) riscaldato contenente

la vite di iniezione, l’ugello di collegamento con lo stampo, l’unità di movimentazione della

vite. La Figura 29.16 mostra lo schema di una pressa ad iniezione. La pressa ad iniezione è

costruttivamente simile ad un estrusore, ma il suo funzionamento è sostanzialmente diverso.

Nel sistema di iniezione, la vite, che ancora ha solitamente nocciolo a sezione variabile, viene

posta sia in rotazione (come in estrusore) che in traslazione con un movimento ciclico.

Durante il movimento traslatorio, la vite assume la funzione di un pistone (vite punzonante).

A contatto con l’ugello è posto lo stampo, costituito da due o più semistampi e raffreddato

mediante un circuito ad acqua.

29.5 Lo stampaggio per soffiatura (blow molding)

lo stampaggio per soffiatura viene impiegato nella produzione di oggetti cavi, solitamente di

piccolo spessore, quali bottiglie, serbatoi, contenitori, giocattoli, piccole imbarcazioni, ecc.

La soffiatura è una tecnica secondaria in quanto opera su un manufatto preformato ottenuto

per estrusione (extrusion blow molding) o per stampaggio ad iniezione (injection blow

molding). Consiste nell’insufflare aria in bassa pressione all’interno di una preforma cava,

mantenuta a temperatura sufficientemente elevata; questa, espandendosi in uno stampo

femmina raffreddato, assume la forma della cavità dello stampo stesso.

Le problematiche principali del blow molding derivano dalla necessità e difficoltà di controllo

degli spessori globali e locali nel manufatto, anche a causa del particolare comportamento

reologico dei polimeri fusi.

Nel caso dell’extrusion blow molding il controllo degli spessori deve tenere in considerazione

due fenomeni principali: a) il rigonfiamento del fuso all’uscita della testa di estrusione che

determina uno spessore del parison superiore alla luce di passaggio del polimero nella filiera;

b) il sagging, ovvero il fatto che il polimero fuso, all’uscita dalla filiera si trova soggetto alla

forza di gravità che provoca l’allungamento del parison e il suo assottigliamento in modo non

uniforme. Per potere compensare tali effetti e controllare punto per punto lo spessore del

parison, vengono solitamente impiegate teste di estrusione a mandrino conico

29.6 Lo stampaggio rotazionale

lo stampaggio rotazionale o Rotomolding è impiegato nella produzione di manufatti cavi di

medie e grandi dimensioni, quali serbatoi e vasche, elementi strutturali, imbarcazioni, grandi

contenitori. Il processo avviene in diverse fasi che comprendono: alimentazione del materiale

predosato, solitamente in polvere o sospensione liquida, in uno stampo femmina; messa in

rotazione dello stampo secondo due o più assi e contemporaneo riscaldamento che porta a

fusione il polimero; successivo raffreddamento con solidificazione del polimero sulla parete

interna dello stampo; estrazione del manufatto .

CAPITOLO 30

TERMOFORMATURA E LAVORAZIONI DEI MATERIALI POLIMERICI PER

TRASPARENTI AERONAUTICI 3.1 La termoformatura. Aspetti generali

La termoformatura è un processo utilizzato per

formare lastre, foglie o film polimerici per ottenere

componenti finiti. Il principio alla base del processo è

quello di riscaldare una lastra termoplastica fino ad un

grado di plasticità prefissato e di deformare la stessa

lastra su uno stampo mediante l’impiego di pressione,

vuoto o sforzi meccanici. La termoformatura è un

processo secondario, in quanto opera su materiale

prelavorato, e differisce da molti altri processi per il fatto che il materiale non viene portato a

fusione, ma a semplice rammollimento. La tecnica può essere impiegata solo per polimeri

termoplastici.

Un’ulteriore differenza rispetto ad altri processi è che la termoformatura richiede basse

pressioni di lavoro. Sia nel caso di pressioni pneumatiche che meccaniche, queste sono solo

poco superiori (o inferiori) alla pressione atmosferica. Di conseguenza, le attrezzature e gli

stampi per termoformatura sono generalmente più leggeri di quelli richiesti per le altre

tecnologie, incluso il blow molding. Possono essere prodotti oggetti di grandi dimensioni

senza elevati costi di investimento per stampi e macchine di processo ad alta pressione. Uno

svantaggio della termoformatura rispetto ad altre tecnologie è la maggiore quantità di scarti e

ritagli: i componenti sono formati e ritagliati a

partire da lastre o fogli; tuttavia il materiale

rimanente può essere facilmente recuperato e

riciclato.

Inoltre, le geometrie ottenibili presentano

diverse limitazioni: parti termoformate sono

solitamente strutture aperte senza o con leggeri

sottosquadra.

Componenti con angoli stretti e forti gradienti di

spessore sono impossibili o difficilmente

ottenibili. Il controllo accurato degli spessori

risulta difficile e differenze di spessore nel

manufatto sono spesso inevitabili.

I componenti termoformati presentano inevitabilmente tensionamenti interni e orientamenti

molecolari derivanti dallo stiro che possono limitarne le condizioni di impiego.

30.2 Le fasi della termoformatura

come si è già accennato, la lastra di partenza viene prodotta in precedenza mediante estrusione

in testa piana o per calandratura. In entrambi i casi questa avrà tensionamenti interni e

orientamenti che potranno influire sul processo successivo.

30.3 I processi di formatura

la grande varietà di prodotti formabili ha portato allo sviluppo di molte diverse varianti della

tecnica, specifiche per alcune geometrie o per alcune

caratteristiche funzionali del prodotto desiderato. I

diversi processi si distinguono per la tipologia di

stampi e per le modalità con cui la lastra viene formata

sullo stampo. Di seguito vengono descritte le tecniche

principali.

Vacuum forming (Formatura a vuoto)

É la tecnica più semplice ed è alla base di tutte le altre

metodologie (Figura 30.4). Viene utilizzato uno

stampo femmina in modo da poter controllare le

dimensioni esterne del manufatto da produrre. La

lastra, fissata ad una cornice metallica, è riscaldata e

appoggiata sullo stampo. Lo stampo è dotato di

numerosi fori collegati ad una pompa a vuoto; a causa

della depressione la lastra si adagia sulle pareti dello

stampo e si raffredda per conduzione.

Pressure forming (Formatura in pressione)

È analoga alla precedente, ma in questo caso la formatura

avviene per effetto di sovrapressione applicata su un lato

della lastra (Figura 30.5). Questo consente di applicare

differenze di pressione superiori (fino ad alcune decine di

bar). La pressione viene applicata rapidamente per evitare

raffreddamenti e deformazioni non controllate della

lastra. I vantaggi di questa tecnica consistono nel minore

tempo ciclo necessario, nella possibilità di formare a

temperature più basse e in un migliore controllo delle

dimensioni e finitura del manufatto.

Plug-assist forming

Con questa tecnica la lastra è pre-deformata mediante un punzone. Generalmente il punzone

non spinge il materiale completamente contro lo

stampo, ma lo deforma solo in parte; la formatura viene

completata per effetto di vuoto o di pressione, come nei

casi precedenti (Figura 30.6). L’uso del punzone

consente una maggiore uniformità di spessore,

particolarmente nel caso di oggetti con elevata

profondità. Il punzone può essere dotato di ingressi di

aria in pressione che, creando un cuscino d’aria, spinge

la lastra contro lo stampo. Poiché il contatto con il

punzone “congela” lo spessore della lastra, l’opportuna

sequenza di azione punzone-pressione permette di

regolare gli spessori locali dell’oggetto. I punzoni

possono essere metallici, in legno o plastica

termoindurente. Per ridurre il raffreddamento di

contatto, il punzone può essere riscaldato a

temperatura prossima a quella della lastra.

Reverse draw forming (pressure-bubble plug-assist

forming)

Una lastra riscaldata è collocata sopra la cavità dello

stampo in modo da chiuderla ermeticamente.

Applicando una sovrapressione all’interno dello

stampo, la lastra viene “gonfiata” a formare una bolla

prestirata uniformemente. Quando la lastra ha

raggiunto il livello di deformazione richiesto, viene

annullata la pressione interna e applicato del vuoto (o

pressione esterna) che porta la lastra predeformata a

contatto con lo stampo. La presenza di un punzone

favorisce il controllo degli spessori finali

Formatura libera (Free-draw forming)

Viene utilizzata nel caso di forme semplici e dove non

è opportuno il contatto con uno stampo, ad esempio

quando sono richieste caratteristiche ottiche di alta

qualità come in calotte, schermi ottici, finestre di

osservazione. Con questa tecnica la lastra calda viene

deformata per effetto di una differenza di pressione (in

vuoto o sovrapressione) e viene ad assumere una

configurazione di bolla libera, non vincolata da uno

stampo.

CAPITOLO 32

MATERIALI COMPOSITI: LEGGE COSTITUTIVA ORTOTROPA

il termine materiali compositi utilizzato in ambito aerospaziale indica, essenzialmente,

materiali a matrice polimerica, tipicamente termoindurente, con rinforzo a fibre lunghe. In

particolare, tre tipologie di fibre di rinforzo si sono affermate, grazie alle loro particolari

caratteristiche:

- le fibre di vetro, che, nella versioni più avanzate (vetro S) presentano una rigidezza

relativamente alta, una grande resistenza e un costo relativamente basso;

- le fibre di carbonio o di grafite, che, significativamente più costose delle fibre di vetro, sono

tuttavia notevolmente più leggere e più rigide;

- le fibre arammidiche (Kevlar) che mostrano i rapporti più vantaggiosi fra resistenza a

trazione e peso specifico, hanno elevata rigidezza e peculiare caratteristiche di tenacità, ma

sono svantaggiate dalla scarsa resistenza a compressione.

32.2 Forme, potenzialità e limiti dell’applicazione dei compositi in ambito aerospaziale

L’interesse verso i materiali compositi avanzati nasce dalle proprietà meccaniche delle fibre

di rinforzo utilizzate, che sono tali da indicare un possibile rilevante incremento

dell’efficienza strutturale nelle costruzioni aeronautiche.

Ricordando che l’efficienza strutturale sintetizza la capacità di soddisfare i requisiti di

rigidezza e resistenza strutturale con il minimo peso possibile, i possibili vantaggi

dell’utilizzo di tali sistemi di rinforzo emergono chiaramente nella Tabella 32. 1, che

confronta le proprietà di rigidezza, di rigidezza specifica e la resistenza delle leghe metalliche

usate nelle costruzioni aeronautiche con quelle delle fibre di rinforzo di vetro e di carbonio

L’esame della Tabella 32. 1 mostra chiaramente come rinforzi di fibre di vetro e di carbonio

possano potenzialmente permettere lo sviluppo di nuovi materiali con indici di merito

superiori a quelli delle leghe metalliche. Si può osservare che il Vetro S presenta valori di

resistenza superiori all’acciaio, con un 1/3 del suo

peso specifico. Simili valori di resistenza sono

ottenuti dal carbonio, che è ancora più leggero e

molto più rigido, come confermato dalla rigidezza

specifica che è pari a 5 volte quella delle leghe

metalliche, per il carbonio ad alta resistenza, e oltre

7 volte superiore per il carbonio ad alto modulo.

Un primo limite per lo sfruttamento di queste

caratteristiche deriva, però dalla constatazione che

le fibre, da sole, possono trasmettere solo carichi di

trazione uniassiali, in una direzione predeterminata. Per realizzare un materiale di possibile

impiego in ambito strutturale, è necessario utilizzare il sistema di rinforzo fibroso all’interno

di una matrice continua, che svolga le seguenti funzioni:

- conferire forma e stabilità dimensionale agli elementi strutturali;

- permettere la trasmissione di sollecitazioni in diverse direzioni;

- trasmettere il carico al rinforzo fibroso, permettendo di sfruttarne le intrinseche

caratteristiche di rigidezza e di resistenza;

- consentire la realizzazione di elementi strutturali con rinforzi multi-direzionali.

Il singolo strato può anche possedere un sistema di rinforzo bi- direzionale, organizzato in un

tessuto. Sebbene tale descrizione non comprenda tutte le possibili forme di utilizzo dei

materiali compositi con rinforzo a fibra lunga e

matrice plastica, essa comprende tutti gli elementi

strutturali ottenuti mediante le tecniche di

laminazione di lamine pre-impregnate, che sono

fra le tecnologie più diffuse in ambito

aerospaziale. L’idealizzazione del materiale

composito come laminato ottenuto dalla

sovrapposizione di strati con rinforzo

unidirezionale o bi-direzionale, dette lamine,

costituisce, dunque, un esempio altamente

rappresentativo che rimane valido, nelle sue linee

essenziali, anche per forme differenti di materiali

compositi, ottenute con tecnologie differenti dalla

laminazione.

A causa dell’intrinseca eterogeneità dei materiali

compositi, essi possono essere studiati da due diversi punti di vista: - il punto di vista

micromeccanico, che analizza l’interazione fra le fasi costituenti del composito su

scala microscopica, per determinare i loro effetti sulle proprietà complessive del

composito.

- il punto di vista macromeccanico, che presuppone una omogeneizzazione del materiale,

descritto come un continuo omogeneo, marcatamente anisotropo, nel quale gli effetti

delle fasi costituenti si riflettono nelle proprietà macroscopiche medie del materiale

composito. Questo punto di vista si adatta a caratterizzare e descrivere il

comportamento delle singole lamine del composito.

Un ulteriore punto di vista, cui sarà espressamente dedicato il Cap. 33, è lo studio del

materiale composito a livello del laminato.

La matrice di flessibilità nel piano della lamina ortotropa è definita in Eq. 32. 19.

Invertendo tale matrice si definisce la matrice di

rigidezza Q le cui componenti, in funzione delle

costanti di rigidezza ingegneristiche sono

esplicitate in Eq. 32. 20.

permette di definire le frazioni volumetriche di fibra e matrice:

Eq. 32. 41

Gli stati di sforzo e di deformazione che compaiono nel legame elastico ortotropo, valido per

il materiale omogeneizzato, sono pertanto espressi in funzione degli sforzi medi agenti nella

fase fibra e nella fase matrice attraverso le seguenti relazioni:

32.5.2 Regola delle miscele per la determinazione della

rigidezza nella direzione del rinforzo

Alla base dell’approccio semplificato che sarà adottato per

la stima delle caratteristica di rigidezze dei compositi, vi è la scelta di un RVE soggetto a una

condizione di carico e una serie di ipotesi semplificative.

Le ipotesi che saranno considerate per sviluppare le formulazioni saranno:

m vm

i) matrice isotropa, caratterizzata da un modulo elastico E e un coefficiente di Poisson ;

Efa Eft

ii) fibre trasversalmente isotrope, con rigidezza assiale , rigidezza trasversale ,

Gfta

rigidezza a taglio (per sforzi di taglio paralleli alla fibra) e coefficiente di Poisson

f

v (che caratterizza la deformazione nella direzione trasversale della fibra per un

ta

allungamento in direzione assiale)

La determinazione del modulo elastico in direzione delle fibre di rinforzo considera

l’elemento di volume rappresentativo riportato in Figura 32. 22, comprendente una

porzione di lamina costituita da una fibra, di lunghezza L, immersa nella matrice e

σ

soggetta a un carico assiale .

xx L’ipotesi semplificativa che è introdotta si

riferisce allo stato di deformazione nelle due fasi,

fibra e matrice, che sono poste in parallelo in

questa configurazione. Si assume, infatti, che la

deformazione media sia uguale nelle due fasi:

f m

ε xx =ε xx =ε xx

Eq. 32. 43

Tale ipotesi determina l’applicazione di un modello dove le due fasi, fibra e matrice, sono

poste in parallelo, come schematizzato in Figura 32. 23

Le leggi costitutive di fibra e matrice comportano che:

xfx =Eaf xfx =Eaf

σ ε ε xx

m =Emm mmxx =Em

σ ε ε xx

xx

Ef Em

Dove ed rappresentano, rispettivamente, i a

moduli di Young della fibra di rinforzo nella direzione assiale e della matrice. Si consideri

Af

una sezione trasversale della lamina di area A, e sia la frazione di area occupata dalle fibre

Am

e quella occupata dalla matrice.

Lo sforzo unitario agente nella sezione della lamina di composito è:

Occorre tuttavia considerare che, trattandosi

di un composito con rinforzo a fibre

continue, le frazioni di area equivalgono alle

frazioni volumetriche. Pertanto, sostituendo

le Eq. 32. 44 nella Eq. 32. 45 si ha:

L’Eq. 32. 46 consente di stimare il valore del modulo

elastico del composito con la seguente espressione, che è nota

con il nome di regola delle miscele: 32.5.3

Determinazione delle rigidezze trasversali, a taglio e dei

coefficienti di Poisson il modello adottato, pertanto, è schematizzabile come

un sistema in serie, come illustrato in Figura 32. 26.

La relazione ottenuta permette l’individuazione di

un’espressione per la rigidezza trasversale del

composito:

Considerata, caratterizzata da uno

τ γ

sforzo di taglio , che origina, nel composito uno scorrimento , tale che:

xy

xy

CAPITOLO 33

MATERIALI COMPOSITI: RIGIDEZZA E RESISTENZA DEI LAMINATI

I materiali compositi offrono la possibilità di progettare le caratteristiche di rigidezza e

resistenza di tali elementi scegliendo opportunamente la tipologia delle fibre di rinforzo e la

distribuzione delle direzioni di rinforzo. Tale possibilità permette di adattare le caratteristiche

di rigidezza e resistenza in funzione dei carichi applicati e dei requisiti strutturali. Si ottiene,

quindi, una distribuzione di rinforzo multi-direzionale sulla superficie dell’elemento che può

essere pensato come una stratificazione di lamine ortotrope, ciascuna delle quali occupa una

piccola frazione dello spessore. La classica tecnologia per la produzione di tali elementi è la

laminazione, che si basa sulla deposizione di lamine, con un rinforzo, organizzato in forma

unidirezionale o tessuto, pre-impregnato da una resina. Gli spessori di tali lamine sono

dell’ordine dei decimi di millimetro. L’elemento ottenuto è chiamato laminato. Elementi con

le stesse caratteristiche dei laminati possono tuttavia essere prodotte attraverso processi

tecnologici diversi dalla laminazione. 33.3 La teoria classica della laminazione

33.3.1 Sequenze di laminazione e sistemi di

riferimento

L’Eq. 33. 7 sintetizza le assunzioni di Kirchoff e

costituisce la base della teoria delle piastre. Essa,

infatti, identifica 6 parametri generalizzati di

spostamento (o di deformazione), rappresentati dalle

tre componenti di deformazione del piano medio e

dalle tre curvature che permettono di descrivere

completamente la configurazione deformata di una

piastra.

Un laminato in composito, di spessore non elevato,

può essere efficacemente studiato come una piastra,

il cui stato di deformazione è descritto dall’Eq. 33. 7

in un sistema di riferimento denominato assi

laminato. Il laminato è composto da N lamine,

ciascuna delle quali possiede un riferimento

coincidente con gli assi di simmetria del materiale,

che definiscono gli assi lamina. Gli assi lamina sono

ruotati, rispetto agli assi laminato, nel piano XY,

come mostrato in Figura 33. 5.

La Figura 33. 6 riporta la convenzione normalmente utilizzata per individuare la posizione

delle lamine nello spessore del laminato. L’asse Z ha origine nel piano medio ed è diretto

verso il basso. La quota Zi si riferisce al bordo della

lamina più vicino al piano medio. Detto TH lo spessore

del laminato e thi quello dell’i-esima lamina, valgono

le seguenti relazioni:

E’ possibile definire una quota zi indicativa della posizione del piano medio

della lamina:

Le distribuzioni di sforzo

agenti nello spessore del

laminato danno luogo ad

azioni risultanti nello

spessore che caratterizzano

lo stato di sollecitazione del laminato nel suo

insieme. Se le componenti di sforzo nel piano

delle lamine, espresse in assi laminato, sono

integrate nello spessore sono integrate nello

spessore, si ottengono i seguenti flussi di forze,

con dimensioni pari a quelle di una forza per

unità di larghezza. Per il laminato costituito da

una stratificazione di lamine ortotrope, non è

possibile affermare, in generale, che i flussi di

forza non dipendono dalle curvature. . Il legame

costitutivo, per i flussi {N}, indica che essi sono

somma di due contributi. Il primo contributo,

caratterizzato dalla sottomatrice di rigidezza

membranale [A], si riferisce ai flussi di forza

legati alla deformazione del piano medio.

Esiste, tuttavia, anche un secondo contributo,

che si annulla solo sotto determinate condizioni. Tale contributo rappresenta i flussi di forza

dovuti alla curvatura del laminato ed è caratterizzato da una sottomatrice di accoppiamento

membranale-flessionale [B].

Il legame costitutivo fra i flussi di momento {M} e i parametri generalizzati di deformazione

del laminato conferma la possibilità di un accoppiamento membranale-flessionale, attraverso

la stessa sottomatrice [B], individuata in precedenza. I flussi di momento sono inoltre legati

alle curvature attraverso la sottomatrice di rigidezza flessionale [D]. Analizzando l’Eq. 33.

17 e l’Eq. 33. 18, ed esplicitando le operazioni di integrazione, i termini delle sottomatrici

[A], [B] e [D] risultano dalle seguenti espressioni:

La matrice di rigidezza del laminato è quindi costituita dalla tre sottomatrici di rigidezza

membranale, flessionale e di accoppiamento membranale- flessionale. Invertendo il legame,

è possibile definire una matrice di flessibilità del laminato, con la stessa struttura:

La Figura 33. 10 confronta la matrice di rigidezza di una piastra isotropa, dedotta dalle

espressioni in Eq. 33. 15e in Eq. 33. 16, e la matrice di rigidezza di un laminato in composito.

Dal confronto appare evidente, nei laminati in composito, la presenza di accoppiamenti fra

sollecitazioni e parametri di deformazione che non esistono nel caso della piastra isotropa.

Il termine di accoppiamento più evidente è dato dalla

sottomatrice [B]. L’accoppiamento membranale- flessionale

implica che, applicando una distribuzione di sforzi con

risultante pari a {N} e momento nullo rispetto al piano medio,

si ottiene comunque una curvatura del laminato. E’ quindi

intuibile che la causa di tale accoppiamento è in relazione

all’asimmetria del laminato rispetto al piano medio.

L’espressione dei termini di [B], data in Eq. 33. 19, indica che

i termini di

accoppiamento

dipendono dal quadrato delle distanze dal piano

medio.

Se un laminato è simmetrico, per ogni lamina,

con angolo di rotazione α, il cui piano medio si

trovi alla quota zi , esiste una lamina simmetrica,

con identiche proprietà elastiche, spessore e

angolo di rotazione α, posta alla quota –zi . La situazione è schematizzata in Figura 33. 11,

che mostra anche i contributi delle due lamine al generico termine Bhk della matrice di

accoppiamento membranale-flessionale.

Come mostrato in Figura 33. 11, i contributi a [B] di due lamine simmetriche si elidono e,

pertanto, un

laminato simmetrico non

presenta accoppiamento

membranale-flessionale. Si

osservi che lamine orientate con

α = 0° o α = 90° possono essere

inserite al centro della sequenza

di laminazione, in

corrispondenza del piano medio

del laminato, senza alterare la

simmetria. Ad esempio i

laminati [45][0][45] e [30][-

30][90][-30][30] sono

simmetrici.

Un secondo tipo di

accoppiamento, che in generale

esiste nei laminati in composito

mentre è assente nelle piastre isotrope, è determinato dalle componenti A16 = A61 e A26 =

A62 nella sottomatrice simmetrica di rigidezza membranale [A].

I termini A16 = A61 e A26 = A62 sono direttamente legati ai termini corrispondenti nelle

matrici di rigidezza delle lamine ortotrope, ruotate in assi lamina (cfr. Eq. 33. 19). Come

discusso nel Cap. 32, un materiale anisotropo presenta in generale un accoppiamento fra gli

sforzi normali e gli scorrimenti a taglio. Tale accoppiamento scompare se gli assi del sistema

di riferimento sono anche assi di simmetria del materiale, come nel caso degli assi lamina in

un materiale ortotropo. In assi generici, ruotati di α rispetto agli assi lamina, anche un

materiale ortotropo mostra tale accoppiamento, ma ragioni di simmetria permettono di

formalizzare le seguenti relazioni, che mostrano come lamine ruotate di α e di -α sono

caratterizzate da termini di accoppiamento uguali e opposti.

Q (α ) = −Q (− α ) Q (α ) = −Q (− α )

26 26

16 16

Eq. 33. 22

Inoltre, l’espressione dei coefficienti Ahk , fornita in Eq. 33. 19, indica che i termini della

sottomatrice di rigidezza membranale si ottengono sommando i contributi corrispondenti

nella matrice di rigidezza delle lamine ortotrope moltiplicati per lo spessore della lamina :

conseguentemente, come mostrato Figura 33. 12, due lamine con identiche proprietà

elastiche, uguale spessore th e angoli di rotazione α e -α forniscono due contributi uguali e

opposti ai termini componenti A16 = A61 , A26 = A62 e A66 . Tale considerazione è

indipendente dalla quota alla quale si trovano le lamine.

Pertanto, se un laminato presenta, per ogni lamina con angolo di rotazione α, una lamina

identica con angolo di rotazione -α, la

risposta del laminato non presenta

accoppiamento fra estensione e taglio

membranale. Il laminato si dice, in

questo caso, equilibrato.

Infine, la matrice di rigidezza di un

laminato in composito può presentare

un altro tipo di accoppiamento, in

presenza di termini non nulli D16 =

D61 e D26 = D62 . La comparsa di tali

termini implica termini analoghi

nell’espressione della matrice di

flessibilità e, di conseguenza,

l’applicazione di una sollecitazione

flessionale al laminato, con flussi di

momento flettente MX o MY comporta

la comparsa di una curvatura κ

XY: il

laminato, pertanto, presenta una

torsione (come quella rappresentata in

Figura 33. 4) quando è sollecitato a

flessione e viceversa.

I termini della sottomatrice di rigidezza flessionale del laminato hanno l’espressione, già

riportata in Eq. 33. 19:

Anche i termini D16 = D61 e D26 = D62 sono quindi riconducibili, come i corrispondenti

termini della matrice [A] agli accoppiamenti fra estensione e taglio in una lamina ortotropa

studiata in un sistema di riferimento generico. Le considerazioni già introdotte relative a tali

termini, formalizzate nelle Eq. 33. 22, permettono di affermare che, se per ogni lamina alla

quota zi , orientata con un angolo α

i, esiste una lamina, di identiche proprietà elastiche e

spessore, alla quota - zi , orientata con un angolo -α i, l’accoppiamento flesso- torsionale è

eliminato dalla risposta del laminato. La situazione è descritta per due lamine Figura 33. 13

ed Il laminato, in tal caso, si dice bilanciato (o antisimmetrico).

riassume i casi speciali di laminati trattati in precedenza e le loro peculiarità agli effetti degli

accoppiamenti nella risposta del laminato. Si può osservare che le condizioni per ottenere un

laminato simmetrico e un laminato bilanciato non possono essere in generale soddisfatte

contemporaneamente. Nella realizzazione di elementi strutturali che non debbano soddisfare

requisiti particolari di accoppiamento, si preferisce sempre soddisfare la condizione di

simmetria rispetto a quella di bilanciamento. Uno dei motivi di questa preferenza è che un

laminato non simmetrico presenta anche un accoppiamento fra la contrazione dovuta al

raffreddamento al termine della fase di produzione e la flessione.

Mentre il cedimento della singola lamina di composito, non lascia adito ad alcun dubbio,

essendo inequivocabilmente identificabile, quello di un laminato, costituito dalla

sovrapposizione di più lamine con diversa orientazione, apre il campo ad alcune

considerazioni riguardanti proprio la sua identificazione. E’ possibile infatti intendere il

cedimento del laminato secondo due differenti filosofie, la prima nota come First Ply Failure

(FPF), per la quale il laminato si considera rotto al manifestarsi del cedimento della prima

lamina; la seconda nota come Last Ply Failure (LPF), per la quale, a differenza della

precedente, il laminato si considera rotto in corrispondenza del cedimento dell’ultima lamina.

Qualora si adottasse una filosofia LPF sarebbe necessario introdurre nelle analisi una legge

di danno progressivo in grado di ridurre opportunamente le caratteristiche meccaniche del

laminato in relazione alla modalità con cui si manifesta la progressiva rottura delle singole

lamine che lo costituiscono. Tra le modalità di cedimento di una lamina di composito

unidirezionale si ricordano:

Il cedimento assiale dominato dalla fase fibra

Il cedimento trasversale dominato della fase matrice

Il cedimento a taglio dominato della fase matrice

Il problema di base è rappresentato dalla previsione della resistenza di una lamina di

composito soggetta ad un generico stato di sforzo. In tal senso, due sono gli approcci possibili,

uno a livello micromeccanico, basato sull’indagine dei fenomeni fisici che portano alla

formazione delle microcricche, alla loro successiva coalescenza fino alla rottura della lamina;

l’altro a livello superiore con approccio macromeccanico, che disinteressandosi di questi

fenomeni fisici, conducono a criteri tridimensionali basati solo sulle caratteristiche medie

quali sforzi e deformazioni all’interno della singola lamina.

La possibilità di tracciare una curva limite di resistenza della lamina in tutto il piano degli

sforzi principali, è conseguente all’applicazione di un’unica espressione analitica che non ha

alcun fondamento di carattere fisico, il cui impiego è motivato solo dall’esigenza di voler

disporre di un comodo strumento in fase di progetto. In questo ambito, si pensi ad esempio,

alla differenza tra le modalità di rottura che si possono manifestare all’interno della singola

lamina di composito, già esposte in precedenza, oppure alla disparità tra le caratteristiche di

resistenza del materiale nelle direzioni principali della lamina: XT , XC ,YT ,YC che

corrispondono nell’ordine al limite di resistenza della fase fibra a trazione ( ), a

X T

compressione ( X ) ed al cedimento della fase matrice per trazione (YT ) e compressione (

C

YC ).

33.4.2 Criteri limite (criteri del primo ordine)

Massimo sforzo

Il criterio del massimo sforzo decreta la resistenza di una lamina di composito soggetta ad

uno stato piano di sforzo (σ ,σ ,τ ) se sono contemporaneamente rispettate le seguenti

xx yy xy

relazioni:

X C <σ xx <XT

YC <σ <YT

yy

τ <S

xy| 12

Eq. 33. 25

nelle quali si sono indicati con X T , X C ,Y T ,Y C e T12

gli sforzi ammissibili di riferimento, determinati per via sperimentale, essi sono:

XT ,XC :

sforzi ultimi a trazione e a compressione nel piano della lamina nella direzione delle fibre;

YT ,YC :

sforzi ultimi a trazione e a compressione nel piano della lamina in direzione normale a quella

delle fibre;

S :

12

sforzo ultimo di taglio nel piano della lamina che risulta indipendente dal segno.

Si noti come l’ipotesi di assenza di interazione tra modalità di cedimento, caratteristica tipica

di questa classe di criteri, implichi la verifica contemporanea di tre sottocriteri distinti, uno

per ogni singola componente di sforzo presente nella lamina, cui sono associati altrettanti

distinti meccanismi di rottura.

33.4.4 Criteri interattivi (criteri del secondo ordine)

Criterio di Tsai-Hill

L’idea alla base del criterio Tsai-Hill è che un possibile criterio di resistenza per compositi

unidirezionali possa esprimersi in una forma matematica analoga a quella dei criteri di

snervamento per materiali isotropi con legge costitutiva elasto-plastica, opportunamente

modificati per tenere conto delle caratteristiche ortotrope del composito. Un criterio adatto

allo scopo è il criterio di Hill, che rappresenta un criterio di snervamento per materiali

ortotropi idealmente plastici, discendente dal criterio di Von Mises, secondo la formulazione

generale:

Il criterio di Tsai-Hill, questo è il nome con cui è conosciuto in quest’ultima forma, è quindi

un criterio bidimensionale del second’ordine, rappresentato da un’unica espressione che tiene

conto dell’interazione delle varie componenti di sforzo.

Criterio di Tsai-Wu

Tsai e Wu arrivarono alla formulazione di un nuovo criterio di rottura sulla base della più

ampia generalizzazione che un possibile legame quadratico tra le sei componenti del tensore

degli sforzi può assumere, con l’obiettivo di migliorare da un lato la capacità di previsione

delle caratteristiche di resistenza ed eliminare dall’altro la particolare dipendenza dagli sforzi

normali contenuta nell’espressione proposta da Hill.

Criterio di Hashin-Rotem

Hashin e Rotem sulla base dell’evidenza sperimentale proposero, per materiali compositi

unidirezionali, l’esistenza di due differenti meccanismi di cedimento, dovuti alla natura

bifasica del materiale in oggetto, l’uno dominato dalla fase fibra, l’altro dominato dalla fase

matrice. Svilupparono quindi un criterio per ognuna di queste due distinte modalità di

cedimento.

CAPITOLO 34

MATERIALI COMPOSITI: TIPOLOGIE E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE DEI

RINFORZI E DEI LORO SEMILAVORATI

Un primo livello di classificazione dei compositi fa riferimento al tipo di matrice: si parla

quindi di compositi a matrice ceramica (CMC - ceramic matrix composites), a matrice

metallica (MMC - metallic matrix composites) e polimerica (PMC - polymer matrix

composites). Tra questi ultimi un'ulteriore distinzione viene fatta tra i compositi a matrice

termoindurente, di più largo impiego nelle costruzioni di strutture aeronautiche, e i compositi

a matrice termoplastica.

Un secondo livello di classificazione fa riferimento alla forma del rinforzo. I rinforzi possono

essere costituiti da particelle (polveri, microsfere, microfibre, wiskers, ecc.), da fibre

discontinue, da fibre continue.

Dal punto di vista strutturale, le caratteristiche meccaniche in generale sono il risultato di

meccanismi di trasferimento di sforzi tra matrice continua e rinforzo: perché ciascuna delle

due (o più) fasi dia il proprio contributo al comportamento meccanico è necessario che le

sollecitazioni applicate vengano trasferite ad esse. Un efficace trasferimento di sforzi richiede

un'estesa superficie di contatto tra le fasi oltre che un'efficiente interfaccia. Una prima

conseguenza di ciò è che le migliori caratteristiche di resistenza e rigidezza possono essere

ottenute con rinforzi fibrosi a fibra lunga

34.1 Sistemi di rinforzo

le prestazioni meccaniche finali del composito sono primariamente governate dalle

caratteristiche del rinforzo. I fattori determinanti da questo punto di vista sono:

- le proprietà meccaniche delle fibre, in particolare resistenza e rigidezza

- la geometria, in particolare la lunghezza delle fibre (continue o discontinue, lunghe o corte)

- l'architettura delle fibre, che possono essere disposte casualmente lungo tre direzioni

(random nello spazio), casualmente lungo due direzioni (random nel piano), continue ed

allineate in una o più direzioni (unidirezionali, multiassiali), intrecciate a formare tessuti o

preforme

- la quantità (frazione volumetrica) delle fibre nel composito

- l'efficienza dell'adesione fibra-matrice, che può essere modificata con l'impiego di

trattamenti superficiali alle fibre, con l'applicazione di appretti (sizings) alle fibre, ecc.

4.2 Interfaccia fibra -matrice

si è accennato al fatto che perché un sistema di rinforzo, fibre o particelle, contribuisca alla

resistenza e/o alla rigidezza del materiale è necessario un efficiente trasferimento degli sforzi

dalla matrice al rinforzo e viceversa. Il rinforzo, quindi, deve risultare efficientemente legato

alla matrice per permettere alla sollecitazione che agisce sulla matrice di essere trasferita

attraverso l'interfaccia.

Un concetto chiave in questo contesto è quello di bagnabilità. La bagnabilità definisce la

capacità di un liquido di spandersi sulla superficie. Una buona bagnabilità garantisce che la

matrice liquida fluisca sul rinforzo ricoprendo ogni asperità e rugosità della superficie,

venendo a perfetto contatto col solido e rimuovendo l'aria.

L'adesione meccanica (interlocking) è legata alla possibilità per la matrice di penetrare nelle

asperità del rinforzo ed è quindi tanto più efficace quanto più rugosa è la superficie.

L'adesione fisica è il risultato di interazioni elettrostatiche, e/o legami secondari (ad es. Van

der Waals) tra matrice e rinforzo. Pur essendo interazioni deboli, queste sono sufficienti a

garantire ottima adesione, a condizione che sia presente un perfetto contatto tra le fasi. Ciò

nonostante, difetti superficiali, contaminazioni, aria intrappolata all'interfaccia rendono

questo meccanismo poco efficiente nelle situazioni reali.

L'adesione chimica che deriva dalla formazione di legami chimici primari tra matrice e

rinforzo permette di ottenere efficiente trasmissione degli sforzi. E' facile intuire che l'entità

dell'adesione dipende dal numero di legami che si instaurano; ancora una volta, quindi, una

buona bagnabilità è un prerequisito per un’efficiente adesione chimica.

34.3 Le fibre di carbonio e grafite

le fibre di carbonio e grafite vengono prodotte a partire da precursori, tipicamente polimerici,

che vengono sottoposti a processo di pirolisi e conversione parziale (fibre di carbonio) o totale

(fibre di grafite) in carbonio. I materiali precursori sono costituiti principalmente da fibre di

poliacrilonitrile (PAN), cellulosa (Rayon) o pece (pitch) ottenuta nei processi di distillazione

del petrolio. In funzione del materiale precursore si parla di fibre ex-PAN, ex-cellulose, ex-

pitch. Le fibre ex-pitch, riscuotono grande interesse a causa del basso costo della materia

prima e del modulo elastico molto elevato posseduto (fino a oltre 900 GPa).

Il processo produttivo parte da fibre polimeriche o di pece ottenute per filatura da fuso. Le

fibre (PAN e Rayon), mantenute in tensione vengono sottoposte ad un primo trattamento

termico stabilizzazione e parziale ossidazione mediante riscaldamento in presenza di aria a

circa 250 °C. Successivamente le fibre vengono pirolizzate ad alta temperatura, fino a 1000

°C e successivamente fino a oltre 1300-1500°C, in ambiente inerte (azoto), per la

carbonizzazione del materiale.

Il processo di pirolisi, carbonizzazione e grafitizzazione comporta l'eliminazione parziale o

completa degli elementi (O, N, H) presenti nella fibra precursore, lasciando una struttura

costituita da nastri di grafite orientati lungo la fibra.

Fibre di carbonio ad alta resistenza sono ottenute alle temperature inferiori e contengono zone

grafitiche orientate all'interno di una matrice continua di carbonio amorfo con la presenza

residua di altri elementi. Fibre ad alto modulo, di grafite, sono ottenute a temperature superiori

e sono costituite da nastri grafitici continui, marcatamente orientati lungo la direzione della

fibra; il materiale è costituito quasi completamente da carbonio.

Questi difetti si sommano a quelli pre-esistenti nei precursori e governano il comportamento

ultimo delle fibre.

Le fibre di carbonio, come la maggior parte delle fibre di rinforzo per compositi (vetro, kevlar,

boro, ecc.) presentano comportamento fragile con cedimento in campo di deformazione

elastica, senza evidenza di plasticità.

La Figura 34.11 mostra le tipiche

curve sforzo-deformazione di alcune

fibre di rinforzo. La rottura avviene

quando la sollecitazione raggiunge un

valore critico per la propagazione di

un difetto nel materiale. La resistenza

della fibra è quindi governata dalla

presenza degli inevitabili difetti

lungo di essa;

La probabilità di cedimento di fibre

fragili è ben descritta da una funzione

di Weibull:

α

P(σ)= 1-exp[-l(σ/β) ]

dove α e β sono parametri caratteristici del materiale. α è determinato prevalentemente

dall'ampiezza delle distribuzione e assume valori comunemente variabili tra 3 e 10; β è

determinato prevalentemente dal livello di resistenza delle fibre .

Allo scopo di aumentare la bagnabilità e la possibilità di legami all'interfaccia, le fibre

vengono molto spesso sottoposte a trattamenti superficiali, già in fase di produzione. I più

comuni trattamenti consistono di una ossidazione parziale che introduce gruppi chimici

ossidati, modificando la struttura grafitica superficiale. La presenza di gruppi chimici come

C=O, H-C=O, C- OH, permette di aumentare la reattività della superficie, con un incremento

in numero e intensità dei legami chimici e delle interazioni fisiche con la matrice; il

conseguente aumento di tensione superficiale favorisce anche la bagnabilità della fibra

incrementando la facilità e l'efficienza di impregnazione. In aggiunta le fibre vengono

rivestiste con appretti (sizing), costituiti da soluzioni/emulsioni contenenti sostanze

coadiuvanti di processo (lubrificanti, antistatici, ecc.). La funzione primaria degli appretti è

quella di proteggere le fibre durante le operazioni di produzione, filatura, tessitura, ecc. I

sizing, inoltre contengono ulteriori additivi, come promotori di adesione (coupling agent) e

leganti (binder), che, ancora, favoriscono la bagnabilità e l'adesione nei confronti delle matrici

o la compattazione tra le fibre; specifici trattamenti e sizing vengono selezionati in funzione

della matrice e dell'applicazione del materiale.

Nonostante l'elevata conducibilità delle fibre, va considerato che la matrice, continua, del

composito polimerico è invece isolante: il composito è globalmente parzialmente conduttivo;

inoltre le caratteristiche di conducibilità, come quelle meccaniche, risentono

dell'orientamento delle fibre.

Per un'adeguata protezione dai fulmini, le strutture aeronautiche esterne in composito

richiedono l'applicazione di rivestimenti metallici o l'inserimento di maglie conduttive per

consentire di guidare e scaricare la tensione lungo percorsi preferenziali.

L'esposizione ad ambiente umido non ha alcun effetto sul materiale delle fibre, ma nei

compositi determina degradazione dell'interfaccia fibra-matrice con conseguenze riduzione

delle prestazioni La resistenza a fatica delle fibre è praticamente pari alla resistenza statica:

la rottura delle fibre avviene al raggiungimento del carico ultimo, indipendentemente dalla

storia di sollecitazione.

34.4 Le fibre di vetro

le fibre di vetro costituiscono il rinforzo di più largo impiego per i compositi a matrice

polimerica. i principali vantaggi delle fibre di vetro sono il basso costo, l'alta resistenza, l'alta

resistenza chimica, le ottime caratteristiche di isolamento termico ed elettrico. Gli svantaggi

sono il modulo elastico relativamente basso, la densità, superiore a quella di molte altre fibre

di rinforzo, la relativamente bassa resistenza a fatica; la fragilità e l'elevata durezza, inoltre,

le rendono sensibili all'abrasione durante il maneggiamento e inducono marcata usura negli

utensili di lavorazione e taglio.

Come per le fibre di carbonio, i sizing hanno la funzione primaria di proteggere le fibre

durante le lavorazioni; inoltre contengono generalmente leganti e agenti attivi, per favorire la

bagnabilità e l'adesione da parte delle matrici polimeriche. I promotori di adesione (coupling

agent) maggiormente impiegati sono basati su complessi organo-silani dotati di tre gruppi

chimici idrolizzabili in grado di formare legami (covalenti e/o idrogeno) con la superficie del

vetro e una catena polimerica in grado di legarsi alla matrice.

L'esposizione ad ambiente aggressivo o umido può avere importanti effetti anche sulla

stabilità nel tempo dei compositi in fibra di vetro. La diffusione dell'umidità attraverso la

matrice e/o lungo l'interfaccia con le fibre determina idrolisi dei legami tra sizing e superficie

del vetro con conseguente degradazione dell'interfaccia e delle prestazioni dell'intero

composito. L'uso di matrici a basso assorbimento di umidità e di specifici sizing consente di

ritardare tali effetti.

34.8 Disposizione delle fibre: mat e tessuti

per potere esercitare al meglio la propria azione di rinforzo, le fibre sono presenti nei

compositi secondo disposizioni definite. La geometria e la disposizione delle fibre nei

compositi sono dettate da un lato da esigenze strutturali, che generalmente suggeriscono fibre

continue, allineate secondo le direzioni di importante sollecitazione, dall'altro da esigenze

tecnologiche di formabilità, che spesso impongono vincoli sulle architetture impiegabili.

Gli strand e chopped strand sono fasci costituiti da poche centinaia di fili continui o tagliati

(chopped). Vengono normalmente impiegati in lavorazioni successive.

I roving sono formati da fasci di fili ottenuti associando più fasci (strand) sottili. Le fibre sono

essenzialmente parallele, avvolte in rocchetti. I roving possono venire tagliati in fasci

discontinui impiegati per produrre feltri o in diversi processi.

Gli yarn sono costituiti da uno o più strand attorcigliati tra loro per migliorare la

maneggiabilità e la lavorabilità (tessitura, taglio ecc.).

I mat (o feltri) sono costituiti da fibre casualmente disposte nel piano (Figura 34.34); le fibre

sono tipicamente organizzate in fasci (strand) di poche centinaia di fibre e alcuni centimetri

di lunghezza (chopped strand mat); in alcuni casi sono invece continue (continuous strand

mat - unifilo).

CAPITOLO 35 MATERIALI COMPOSITI: TIPOLOGIE E TECNOLOGIE DI

PRODUZIONE DELLE MATRICI E PREIMPREGNATI

35.1 Funzioni della matrice polimerica

nel composito, la matrice deve rispondere a diverse funzioni: lega insieme le fibre, trasferisce

e distribuisce il carico sulle fibre, protegge le fibre dall'ambiente.

Il materiale ideale da cui deriva la matrice deve essere inizialmente un liquido a bassa

viscosità che può essere convertito in breve tempo in un solido resistente e tenace aderente

alle fibre di rinforzo . Mentre la funzione del sistema di rinforzo è essenzialmente quella di

sopportare il carico nel composito, le proprietà meccaniche della matrice possono influire in

modo determinante sulle modalità e sull'efficienza con cui le fibre possono operare.

La matrice permette una distribuzione più omogenea della sollecitazione su tutte le fibre che

risulteranno soggette ad una stessa deformazione.

Il trasferimento degli sforzi tra fibre e matrice avviene prevalentemente tramite sforzi di

taglio;

In direzione normale alle fibre, le proprietà della matrice e dell'interfaccia controllano le

proprietà fisiche e meccaniche del composito e, poiché la matrice è generalmente il

costituente più debole e cedevole, le sollecitazioni in direzione trasversale alle fibre vengono

per quanto possibile evitate con una opportuna distribuzione ed orientazione del sistema di

rinforzo. Ciò nonostante in molte situazioni la matrice deve essere comunque in grado di

rispondere ad importanti componenti di sforzo normali rispetto alla direzione delle fibre e/o

di taglio e può risultare l'elemento critico per il comportamento meccanico del materiale nel

suo complesso. Ad esempio, la risposta del composito a sollecitazioni in grado di attivare

cedimento per distacco o scorrimento tra le lamine può risultare marcatamente influenzata

dalle prestazioni meccaniche della matrice (oltre che dell'interfaccia).

Le matrici polimeriche, in particolare quelle termoplastiche, presentano spesso buona tenacità

e possono quindi contribuire in modo non trascurabile alla tenacità complessiva del

composito.

La matrice, allo stato liquido o in soluzione, deve essere in grado di infiltrarsi tra fibre e tessuti

minimizzando la formazione di bolle o difetti.

Questo richiede che durante la fase di impregnazione e formatura la resina abbia bassa

viscosità e buona capacità di bagnatura delle fibre. Successivamente, deve potere essere

solidificata in tempi brevi per conferire al manufatto le caratteristiche meccaniche finali. Le

resine termoindurenti vengono solidificate a seguito di un processo di cura durante il quale

avviene la reazione di reticolazione, attivata per via termica o chimica (mediante

catalizzatori).

Tempi di indurimento troppo brevi possono rendere difficile l'impregnazione e/o la formatura

del componente; tempi eccessivi possono rendere non economicamente accettabile il processo

tecnologico.

Alcuni tra i più importanti processi di formatura di compositi avanzati richiedono l'impiego

di semilavorati costituiti da tessuti impregnati con resine liquide o parzialmente reticolate in

proporzioni definite, i preimpregnati (o prepreg). La sovrapposizione, il consolidamento e la

completa reticolazione dei preimpregnati portano alla formazione del laminato composito

finale.

Le resine termoindurenti sono caratterizzate da una struttura polimerica reticolata, in cui

lunghe catene macromolecolari sono legate a formare una maglia tridimensionale continua

(reticolo).

il materiale mantiene una struttura amorfa, vetrosa. A seguito di riscaldamento, quindi, il

materiale non mostra un punto di fusione, che caratterizza i materiali cristallini, ma raggiunge

una temperatura (Tg: temperatura di transizione vetrosa) in cui avviene il rammollimento e

la riduzione drastica della rigidezza. Mentre a temperature inferiori a Tg la resina reticolata

si presenta come un materiale rigido, resistente, poco deformabile (e spesso fragile), a

temperature superiori alla temperatura di transizione vetrosa il materiale modifica

marcatamente il suo comportamento assumendo le proprietà tipiche di una gomma, con

rigidezza molto ridotta (generalmente di due/tre ordini di grandezza rispetto al materiale

vetroso) e alta deformabilità. La massima temperatura di servizio di un composito è limitata

dalla temperatura di transizione vetrosa della resina.

La temperatura di transizione vetrosa della resina dipende sia dalla struttura e composizione

chimica che dalle modalità di reticolazione ed in particolare dai tempi e dalle temperature

impiegate in fase di processo che quindi richiedono un accurato controllo.

In considerazione delle temperature di impiego richieste, nelle applicazioni avanzate, in

particolare aerospaziali, vengono impiegate prevalentemente matrici polimeriche con

temperatura di transizione vetrosa relativamente alta,

35.2 Le resine epossidiche

le resine epossidiche rappresentano la classe di matrici termoindurenti di maggiore interesse

e utilizzo per le applicazioni aerospaziali. La combinazione di caratteristiche meccaniche,

temperatura di transizione vetrosa, inerzia chimica, capacità di impregnazione delle fibre e di

formazione di laminati ha reso i compositi epossidica/carbonio i principali concorrenti

rispetto alle leghe di alluminio . l materiale di partenza per una matrice epossidica è costituito

da una resina liquida a peso molecolare relativamente basso le cui catene polimeriche sono

dotate di gruppi reattivi epossidici posizionati agli estremi delle catene (terminali). Le

reticolazione e l'indurimento della resina avvengono a seguito di aggiunta di un agente

reticolante costituito da molecole dotate di tre o più gruppi reattivi (funzionali) in grado

reagire con i gruppi epossidici a formare una maglia continua tridimensionale. La reazione di

reticolazione viene generalmente attivata a seguito di riscaldamento o, a bassa temperatura,

in presenza di opportuni catalizzatori.

Matrici epossidiche con prestazioni superiori in termini sia di resistenza meccanica che di

temperatura di transizione vetrosa, normalmente impiegate per la produzione di laminati di

interesse aerospaziale, sono ottenute a partire da polimeri epossidici polifunzionali, spesso

tetrafunzionali, cioè dotati di quattro anelli epossidici terminali.

La scelta del sistema di resina + reticolante + additivi influisce sulle caratteristiche

meccaniche, termiche (in particolare la Tg) e fisiche in generale della matrice ottenuta

.Sebbene l'assorbimento di umidità delle epossidiche sia solitamente piuttosto limitato, poche

unità % in peso, l'esposizione ad ambiente umido può avere effetti critici per molte situazioni.

L'assorbimento e la diffusione di umidità all'interfaccia tra matrice e fibre di rinforzo, in

particolare di vetro, determina la degradazione dell'accoppiamento e dell'efficienza di

trasferimento degli sforzi .Le resine epossidiche presentano ottime capacità adesive nei

confronti di diversi materiali (metallici, ceramici, molti polimeri) e costituiscono la base per

molti adesivi strutturali di alte prestazioni. Rispetto ad altri sistemi di resina, le resine

epossidiche presentano anche il vantaggio di non contenere sostanze volatili e di presentare

un ridotto ritiro durante la reticolazione, a cui consegue una buona stabilità dimensionale

anche in fase di processo.

35.3 Reticolazione delle resine epossidiche

il processo di indurimento delle resine termoindurenti avviene a seguito della formazione di

un reticolo molecolare conseguente alla generazione di legami tra le molecole del polimero

inizialmente a peso molecolare limitato (prepolimero).

Nel procedere della reazione è possibile individuare due trasformazioni principali, la

gelazione (o gelificazione) e la vetrificazione.

Nei primi tempi del processo la reazione determina l'aumento del peso molecolare, della

viscosità, della Tg del polimero, che rimane tuttavia costituito da molecole distinte.

Successivamente tutte le molecole si legano tra loro a formare un incipiente reticolo; il

materiale gelifica. Si osserva che in questa situazione il sistema risulta costituito da un'unica

molecola .il momento della gelificazione rappresenta un limite alla ulteriore lavorabilità del

materiale; In corrispondenza della gelazione, la reazione non è ancora terminata, ma sono

ancora presenti molti gruppi funzionali che, col procedere del tempo, continuano la reazione

aumentando la densità di reticolazione e, di conseguenza, la Tg del materiale.

Quando la temperatura di transizione vetrosa del sistema reagente raggiunge e supera la

temperatura a cui sta avvenendo la reazione (ad esempio a 177 °C per il sistema in Figura

35.5) il materiale vetrifica: il sistema indurisce assumendo le caratteristiche di resistenza e

rigidezza della resina indurita.

Al di sotto di Tg resina, la resina a basso peso molecolare, non reticolata si trova allo stato

vetroso: a causa della bassa temperatura e della scarsa mobilità delle molecole, la velocità

della reazione è praticamente nulla e non avviene alcuna trasformazione;

Riscaldando e mantenendo la resina poco al di sopra della sua Tg (Tg resina), il materiale si

trova allo stato liquido e, data la mobilità molecolare, la reazione può procedere anche se

lentamente, determinando un aumento progressivo del peso molecolare e della Tg. Quando la

Tg raggiunge la temperatura di mantenimento del sistema, la resina vetrifica e diventa un

solido anche se non reticolato. Al di sopra di Tg gel, la resina liquida reagisce nel tempo,

aumentando la sua viscosità e la sua Tg, fino a raggiungere lo stato di gelo (indicato dalla

linea tratteggiata) in cui assume le caratteristiche di deformabilità ed elasticità caratteristiche

di un elastomero. Oltre il tempo di gelo, grazie alla elevata mobilità molecolare, la reazione

continua in modo relativamente rapido aumentando la densità di reticolazione finché la Tg

del sistema reticolato uguaglia la temperatura di reazione (in corrispondenza della linea

continua): il sistema vetrifica diventando un solido rigido e resistente.

Dopo la vetrificazione, quindi, il mantenimento alla temperature consente solo un incremento

limitato e molto lento della temperatura di transizione vetrosa. La curva di vetrificazione

mostra la presenza di un ginocchio a cui corrisponde un tempo minimo di vetrificazione. I

comuni processi di cura vengono spesso condotti in prossimità di tale ginocchio, in modo da

minimizzare i tempi di processo. In pratica, quindi, la reticolazione ad una temperatura

corrispondente al ginocchio consente di portare a reticolazione quasi completa il sistema nei

tempi più ridotti ottenendo nello stesso tempo una Tg poco inferiore al massimo.

V a peraltro considerato che ad una elevata densità di reticolazione corrispondono alti valori

di Tg, resistenza meccanica e rigidezza ma, allo stesso tempo, ridotte caratteristiche di

tenacità e deformabilità a rottura.

35.4 Le resine poliesteri e vinilesteri

le resine poliesteri insature rappresentano le matrici per compositi di più largo impiego

quando sono richieste prestazioni non particolarmente elevate e costi contenuti. Vengono

utilizzate, prevalentemente con fibre di vetro, per laminati impiegati a temperature

relativamente basse. Il materiale di partenza delle poliesteri termoindurenti è costituito da un

polimero insaturo contenente doppi legami reattivi C=C (insaturazioni) in catena; La reazione

viene attivata con opportuni acceleranti e catalizzatori (ad esempio perossidi organici)

aggiunti in piccole percentuali prima della messa in opera. Uno dei maggiori vantaggi

dell'impiego delle poliesteri risiede nel fatto che la reazione può avvenire già a temperatura

ambiente con tempi di vetrificazione che possono essere controllati in funzione del contenuto

di attivatori

Oltre alle inferiori prestazioni meccaniche le poliesteri hanno diversi svantaggi rispetto alle

epossidiche. La ridotta resistenza ad agenti aggressivi, particolarmente alcalini, il superiore

assorbimento di umidità, l'elevato ritiro durante indurimento rendono queste matrici di

limitato interesse nelle applicazioni aeronautiche, dove hanno trovato alcuni impieghi

soprattutto in componenti di limitata importanza o durata (es. serbatoi a perdere).

5.5 Le resine polimmidiche e cianatoestere

Le resine bismaleimmidi (BMI) fanno parte della classe delle polimmidi termoindurenti,

materiali polimerici estremamente resistenti alle alte temperature. Matrici BMI reticolate

presentano elevata rigidità delle catene polimeriche e alta densità di reticolazione; Per contro

le resine BMI sono molto fragili e il loro compositi sono facilmente soggetti a microcracking,

a volte già in fase di produzione. Caratteristiche di stabilità termica ancora superiori sono

state raggiunte con altri sistemi polimmidici termoindurenti o termoplastici.

35.6 Le resine fenoliche

alla classe delle resine fenoliche appartengono alcuni dei primi materiali polimerici sintetici

inventati, come ad esempio la bachelite, sviluppata nei primi del '900. Resine fenoliche

vengono ampiamente impiegate come adesivi, rivestimenti, masse da stampaggio, matrici per

compositi.

La reticolazione delle resine fenoliche porta in generale a sistemi densamente reticolati,

caratterizzati da buona stabilità dimensionale, resistenza e rigidezza meccanica ma anche alta

fragilità. Il prepolimero, solitamente solido, viene impiegato in soluzione per la produzione

di laminati e la resina risultante presenta diverse difficoltà di processo legate alla facile

formazione di vuoti o porosità e all'alta pressione richiesta in fase di indurimento. Matrici

fenoliche presentano temperature di transizione vetrosa solitamente inferiori a 200 °C, anche

se alcune formulazioni possono raggiungere temperature di servizio superiori a 250 °C.

Uno tra i maggiori vantaggi delle resine fenoliche risiede nella resistenza a ossidazione e

degradazione termica che avviene con una lenta reazione endotermica (con assorbimento di

calore) e con formazione di residui incombusti (char); materiali caricati o compositi

fenolica/vetro e fenolica/grafite sono impiegate nei sistemi di protezione termica e sistemi

ablativi (ad esempio in prossimità degli ugelli di lanciatori e propulsori). Questa caratteristica,

unita alla bassa tossicità dei fumi (prevalentemente costituiti da CO2 e H2O) a seguito di

degradazione termica, ha rinnovato l'interesse in queste matrici in diverse

applicazioni aeronautiche ed industriali. La Tabella 35.9 riporta alcune caratteristiche di una

resina fenolica.

35.7 La produzione di preimpregnati

la produzione di laminati compositi multistrato mediante la sovrapposizione di strati costituiti

da nastri o tessuti preimpregnati consente un buon controllo della distribuzione/orientamento

delle fibre, del contenuto di resina e degli spessori finali in quanto viene fortemente limitato

il flusso di resina tra le fibre, rispetto a processi che fanno uso di fibre o tessuti secchi.

L'impregnazione dei tessuti viene effettuata a monte della formatura finale partendo da resine

a bassa viscosità e utilizzando processi ed attrezzature specificatamente dedicate.

Il sistema resina + indurente viene infiltrato tra le fibre in presenza di solvente (processo in

soluzione) o direttamente allo stato liquido (processo hot-melt). Nel processo in soluzione,

più tradizionale, le fibre o i tessuti vengono alimentati ad un bagno di resina con solvente (30-

40% di acetone o alcool nel caso delle epossidiche), che ha lo scopo di ridurre la viscosità e

favorire la bagnatura del rinforzo. Il tessuto impregnato continua attraverso una serie di rulli

che rimuovono l'eccesso di resina e ne regolano

il contenuto. Il tessuto saturo passa attraverso un

forno di riscaldamento orizzontale o verticale

per l'eliminazione della maggior parte del

solvente. La temperatura del forno e la velocità

di passaggio controllano la quantità di solvente

rimosso e il grado di avanzamento della

reticolazione della resina, che non deve essere

completa.

Le fibre o i tessuti secchi provenienti da rotoli di

raccolta sono convogliati tra due film continui di

resina supportati su carta siliconata. Le fibre (o i

tessuti) interposte tra i due nastri di carta

vengono trainate attraverso un sistema di rulli di

compattazione riscaldati che impongono

pressione e che regolano lo spessore del preimpregnato. La compattazione garantisce

l'infiltrazione della resina e la bagnatura delle fibre; A valle della compattazione il nastro

passa generalmente attraverso rulli di raffreddamento prima della rimozione della carta di

supporto e del taglio di regolazione della larghezza.

La maggior parte dei preimpregnati con resine termoindurenti deve essere conservata in cella

refrigerata sia durante l'immagazzinamento che il trasporto per evitare il procedere della

reticolazione e la conseguente riduzione della lavorabilità nella produzione dei laminati.

CAPITOLO 37

TECNOLOGIE DI FORMATURA IN PRESSA, IN FORNO ED IN AUTOCLAVE

CON SACCO DA VUOTO

37.1 Generalità

Le tecnologie di formatura sono tutti quei processi produttivi caratterizzati da una deposizione

del composito (fibre e matrice) su di uno stampo opportuno che conferisce allo stesso la forma

desiderata a seguito di un processo di polimerizzazione.

Si chiamano Lay-up processes i processi basati sulla sovrapposizione di un determinato

numero di lamine. Tali lamine sono generalmente costituite da fibre continue (fibre lunghe)

organizzate in tessuti con differenti stili di tessitura oppure disposte in un’unica direzione

Se le lamine sono già impregnate di resina (pre-impregnati o pre-preg) i processi si chiamano

Dry Lay-Up (ovvero laminazione a secco), viceversa se ciascuna lamina viene impregnata di

resina direttamente sullo stampo in fase di laminazione si parla di processi Wet Lay-Up

(ovvero laminazione ad umido).

Sono invece chiamati Spry-up processes i processi basati sulla deposizione a spruzzo di fibre

discontinue (fibre corte, chopped) deposte sullo stampo contemporaneamente alla resina (non

c’è distinzione fra deposizione a umido o a secco).

I metodi per laminazione, soprattutto se utilizzati con i preimpregnati, permettono viceversa

di ottenere prestazioni molto elevate. Essi consentono inoltre di produrre componenti con

forme anche relativamente complesse, ciò che li rende i processi produttivi più largamente

utilizzati nelle costruzioni aeronautiche e spaziali.

La sua produzione è basata essenzialmente su una serie di cicli di formatura in autoclave.

Di contro, nonostante alcune fasi del processo possano essere talvolta automatizzate, le

tecnologie di formatura sono essenzialmente processi manuali. Ciò comporta bassi volumi

produttivi ed alti costi di produzione soprattutto se confrontati con quelli di altre tecnologie

quali la pulltrusione e la filament winding.

La fase di taglio è quella che consente di ottenere le lamine della forma e dimensioni

desiderate, la laminazione è la fase di deposizione delle lamine sullo stampo ed infine la fase

di polimerizzazione consiste nel far avvenire la completa reticolazione della resina e quindi

nel conferire al manufatto le sue proprietà finali.

Nel caso dei prepreg è possibile utilizzare tecniche di taglio e di laminazione (siano esse

manuali che automatizzate) che riducono le difficoltà nell’allineamento e nel posizionamento

delle fibre nelle direzioni desiderate.

viscosità3

L’elevato grado di della resina con cui sono pre- impregnati i rinforzi conferisce

infatti alle lamine di prepreg una certa stabilità dimensionale ed un buon livello di

maneggiabilità. Unitamente ai vantaggi intrinseci dei prepreg, i quali consentono un

efficiente controllo del contenuto e della distribuzione di resina nel laminato, il controllo degli

spessori, una netta riduzione del contenuto di vuoti, ciò permette di ottenere laminati con

prestazioni nettamente superiori a quelle ottenibili con le tecnologie wet lay-up.

Di contro, i prepreg proprio per la supposta stabilità dimensionale che possiedono, hanno una

drappabilità limitata e sono per questo motivo difficilmente utilizzabili per la produzione di

forme molto complesse.

E’ opportuno far notare che con un processo wet lay-up non è generalmente possibile deporre

strati con fibre esclusivamente unidirezionali. Non essendoci la resina infatti, è l’intreccio di

trama e ordito a mantenere assieme le fibre ed a consentire la deposizione delle singole lamine

sullo stampo

37.2 Dry lay-up Process

l’elemento base di questa tecnologia è il preimpregnato (da cui il termine prepreg lay-up con

cui talvolta vengono denominati questi processi). Esso viene commercializzato in rotoli di

larghezze predefinite e spesso viene stoccato in freezer per rallentare il processo di

reticolazione della resina che è già completamente innescato estendendone così la shelf life

(ovvero estenderne la scadenza ).

Al fine di evitare la contaminazione con qualsiasi agente esterno (es. particelle di polvere) e

di evitare l’assorbimento di umidità il preimpregnato è fornito racchiuso entro opportuni

sacchi di plastica sigillati. Per gli stessi motivi, ove possibile, sia la fase di taglio sia quella

successiva di laminazione vengono effettuate in un’apposita camera ad ambiente controllato

(clean room). In clean room oltre a mantenere entro livelli prestabiliti il grado di polverosità

dell’aria attraverso un opportuno sistema di filtraggio, si controllano la temperatura, che viene

mantenuta costantemente in un range tra i 22°C e i 25°C, e l’umidità relativa (fissata al 50%).

37.2.1 Il Taglio

Il taglio del preimpregnato può essere eseguito manualmente oppure può essere un processo

completamente automatizzato.

Il taglio può essere eseguito anche mediante attrezzi con lame in acciaio ricoperte con carburi,

lame a moto alterno oppure cesoie (manuali o motorizzate).

L’utilizzo di attrezzi da taglio con lame a moto alterno consente di ottenere una buona

accuratezza e riduce notevolmente i tempi di esecuzione.

Caratteristica della tecnica di taglio ad ultrasuoni è quella di limitare l’attrito fra utensile ed

oggetto da tagliare con una conseguente riduzione di dissipazione termica.

Un’altra tecnica per tagliare più strati contemporaneamente è il taglio per tranciatura mediante

opportuni utensili chiamati fustelle. Questi non sono altro che dei punzoni aventi un profilo

tagliente in acciaio che riproduce il contorno (la sagoma) delle lamine da tagliare. Il taglio

viene effettuato premendo tali punzoni contro il preimpregnato posizionato sul tavolo da

taglio con una forza sufficiente perché essi oltrepassino completamente il preimpregnato

stesso.

Le macchine fustellatrici (die cutting systems) permettono di automatizzare le procedure di

taglio raggiungendo alti ratei produttivi e mantenendo nel contempo un’ottima ripetibilità.

Esse sono essenzialmente costituite da:

• una pressa (cutting press);

• un materassino plastico (plastic cutting pad);

• un set di fustelle (cutting die)

Esistono due tipologie di presse: le comuni presse idrauliche a traversa mobile (hydraulic

beam press) e le presse meccaniche a rulli (roller press). Le beam presses sono generalmente

dotate di due piastre piane parallele una delle quali è vincolata alla traversa mobile.

E’ importante notare che la velocità di esecuzione del taglio è indipendente dalla forma, dalla

dimensione, dallo spessore e dal materiale del preimpregnato che deve essere tagliato.

Le roller presses eseguono il taglio grazie alle forze di compressione esercitate da coppie di

rulli in acciaio contro-rotanti attraverso cui prepreg e fustelle sono forzati a passare. Il

materassino è in questo caso posizionato direttamente a contatto con il prepreg prima di

azionare il movimento dei rulli. A differenza delle beam presses, queste presse hanno un

tonnellaggio illimitato, motivo per il quale il loro utilizzo è preferito per tagli di piccole

dimensioni.

Per innalzare il rateo produttivo di queste macchine la maggior parte dei moderni die-cutting

systems possono essere semi-automatizzati o completamente automatizzati.

ato l’elevato costo dei prepreg è di assoluta importanza massimizzare la produzione

riducendo al minimo gli sfridi durante le operazioni di taglio. Ciò equivale ad ottimizzare il

posizionamento delle fustelle sui fogli di preimpregnato effettuando un processo di nesting

Si può notare che, laddove è possibile, le fustelle hanno un lato in comune (die nesting)

eliminando completamente gli sfridi tra le lamine.

Sviluppate in origine per il taglio di materiali altrimenti difficilmente lavorabili, queste

tecniche, che possono essere impiegate anche per i preimpregnati, sono il taglio laser (laser

cutting) ed il taglio a getto d’acqua (water jet cutting).

Il taglio laser si effettua tramite la radiazione emessa da un raggio focalizzato di luce coerente,

con l’ausilio di un gas ad alta pressione. Il gas ausiliario rimuove il materiale volatile e fuso

dal percorso seguito dal raggio durante la lavorazione. Il fascio luminoso può essere

focalizzato concentrando un’elevata quantità di energia in un singolo punto. L’energia così

concentrata permette di raggiungere, in breve tempo, temperature molto elevate, superiori alla

temperatura di vaporizzazione di diversi materiali.

I vantaggi del taglio laser sono: la velocità di avanzamento, la bassa deformazione, la qualità

d’incisione, la minima produzione di scorie ed un’ampiezza di taglio ben delimitata.

Il taglio a “water jet” si basa sull'impiego di un liquido costituito per la maggior parte da

acqua filtrata e da una piccola percentuale di polimero liquido, la cui funzione è quella di

diminuire la divergenza del getto. Tale liquido viene pompato mediante un intensificatore

idraulico a pressioni dell'ordine di

50.000psi ed un accumulatore smorza le pulsazioni generate dalla pompa alternativa in modo

da avere una pressione relativamente costante. Successivamente il liquido viene inviato ad un

ugello di zaffiro di piccole

Il risultato è una erosione ad alta velocità del materiale ed un taglio netto. Se caratteristiche

peculiari di entrambe le tecniche sono la velocità e l’accuratezza di esecuzione del taglio, di

contro gli impianti sono molto costosi. Oltre al fattore economico la loro diffusione nel settore

dei compositi è rallentata per altri due motivi. Il fascio luminoso del taglio laser, riscaldando

ad elevata temperatura la zona di taglio, può alterare e degradare le caratteristiche della resina

dei preimpregnati. Parimenti, l’acqua del getto può, entrando a diretto contatto con il prepreg,

contaminare il materiale. Nel caso in cui si voglia automatizzare completamente il processo

di taglio è possibile equipaggiare i plotter con un sistema a ripresa di materiale.

37.2.2 La laminazione

La laminazione è la fase di deposizione delle lamine sullo stampo. Al pari della fase di taglio

essa può essere eseguita manualmente oppure essere parzialmente o anche totalmente

automatizzata. Ancor più che la fase di taglio, nel settore aerospaziale la laminazione viene

sempre e rigorosamente effettuata in clean-room al fine di evitare inclusioni qualsiasi fra una

successiva4

lamina di prepreg e quella

Prima di effettuare la laminazione è necessario applicare alla superficie dello stampo

un’agente distaccante per evitare che la resina del laminato aderisca allo stampo stesso

La deposizione delle lamine di prepreg è talvolta preceduta dalla stesura sullo stampo di

un’ulteriore lamina denominata peel-ply. Essa è un sottile tessuto di nylon, disponibile in

diverse grammature, che viene utilizzata ogni qualvolta si debba conferire alla superficie del

laminato la rugosità superficiale ottimale per l’esecuzione di un incollaggio. In tal caso il

peel- ply viene rimosso dal laminato solamente pochi istanti prima di eseguire l’operazione

di incollaggio così da evitare rischi di contaminazione alla superficie. Grazie alla sua perfetta

adesione al laminato, il peel-ply viene spesso utilizzato come pellicola protettiva per tutto il

periodo di eventuale stoccaggio del componente (indipendentemente dalla necessità di

eseguire successivi incollaggi). Un’altra funzione del peel-ply è quella di intrappolare

eventuali sostanze volatili provenienti dallo stampo durante il ciclo di polimerizzazione.

L’aspetto cruciale della laminazione è ovviamente il corretto posizionamento delle lamine di

pre- impregnato. Per facilitare l’operazione si utilizzano opportuni sistemi di riscontro quali

ad esempio delle griglie di riferimento apposte intorno alla superficie di laminazione oppure

delle tracciature laser effettuate con i più moderni Laser Projection Systems. Una delle

tecniche più utilizzate, soprattutto per la laminazione di componenti di grandi dimensioni, è

la cosidetta ply-on Mylar Technique. Essa consiste nell’utilizzare dei fogli di plastica

trasparenti e dimensionalmente stabili (Mylar) su cui sono stampati il contorno delle lamine

e l’orientazione delle fibre.

In questi ply-book è riportata la sequenza di laminazione e, per ciascuna lamina, il numero di

identificazione, le dimensioni e la posizione in pianta sullo stampo.

Nella deposizione delle lamine giocano un ruolo molto importante il grado di appiccicosità

(tack level) e drappabilità o formabilità (drape level) del preimpregnato. Un’elevata

appiccicosità è garanzia di adesione fra lamina e stampo o fra lamina e lamina. Essa però non

consente nessun errore di posizionamento perché, anche a seguito di una leggerissima

pressione di contatto, non è più possibile rimuovere la lamina per un successivo

riposizionamento. Allo stesso modo un buon livello di drappabilità consente di conformare la

lamina allo stampo, ma se è troppo elevato si incorre nella possibilità di alterare la corretta

disposizione delle fibre nella lamina stessa

Per far aderire al meglio le lamine e far fuoriuscire le bolle d’aria rimaste intrappolate nel

PTFE®

preimpregnato si utilizzano appositi rulli in di differenti dimensioni (squeezing

roller). L’evacuazione dell’aria è ulteriormente favorita effettuando delle compattazioni

riciclabile6.

intermedie ogni 4-5 strati di prepreg mediante un sacco da vuoto

Dopo aver indicizzato l’area di lavoro, la macchina effettua automaticamente, muovendosi su

linee parallele, la deposizione del nastro, la compattazione dello stesso e la rimozione della

pellicola di carta

protettiva. Quando

viene raggiunto il

bordo dello stampo il

nastro viene tagliato

mediante l’utensile

montato sulla testa

da taglio e

ricomincia il ciclo in

una nuova posizione.

Questo processo è

ripetuto fino alla

completa

stratificazione del

laminato.

37.2.2.1 Sacco da

vuoto

Nei processi di formatura il sacco da vuoto ha tre compiti fondamentali. Il primo è quello di

evacuare le bolle d’aria presenti nel laminato. Il secondo è quello di evacuare tutte le sostanze

volatili presenti nella resina del pre- impregnato ed il terzo è infine quello di favorire

l’adesione fra le lamine.

Nonostante la sovrapposizione delle lamine sia svolta con la massima cura e siano effettuate

le compattazioni intermedie, piccole bolle d’aria rimangono ancora intrappolate fra gli strati.

Pur tuttavia, l’azione del sacco durante lo svolgimento del ciclo di polimerizzazione è più

efficace in quanto la resina, resa più fluida dall’innalzamento della temperatura, consente una

veicolazione migliore all’aria.

Al pari delle bolle d’aria, anche le sostanze volatili contribuiscono ad aumentare il contenuto

di vuoti nel laminato. A differenza dell’aria però esse non possono essere evacuate neppure

parzialmente dalle compattazioni intermedie in quanto sono intrappolate dalla resina a livello

intralaminare. L’aumento di fluidità durante le prime fasi del ciclo di polimerizzazione ed il

processo stesso di reticolazione della resina liberano queste sostanze che possono così

fuoriuscire dal laminato ed essere aspirate. Tali sostanze volatili possono essere residui di

solventi utilizzati nella produzione della resina oppure di altre sostanze utilizzate nella fase di

impregnazione delle fibre.

Il terzo compito del sacco da vuoto è quello di contribuire all’adesione fra le lamine. L’azione

aspirante del sacco produce un flusso di resina, dallo stampo verso la superficie esterna,

attraverso lo spessore del laminato.

In ordine di deposizione, partendo dalla superficie superiore del laminato, si ha:

1) Peel-ply. Tessuto di vetro che conferisce alla superficie superiore del laminato la rugosità

ottimale per successivi incollaggi ed effettua azione protettiva di tale superficie.

Disponibile in differenti grammature e spessori;

PTFE®

2) Film separatore microforato. Film in che consente la separazione dal laminato di

tutte le pellicole costituenti il sacco; i microfori consentono il passaggio della resina in

eccesso, dell’aria e delle sostanze volatili che fuoriescono

dal laminato durante il processo di polimerizzazione. Le dimensioni e la spaziatura dei

microfori determinano la quantità di resina che può fluire dalla superficie del laminato e,

conseguentemente, influenzano il contenuto di fibre nel manufatto finale. In assenza di

microfori è possibile evitare completamente la perdita di resina. Spessore 0,05mm;

3) Bleeder. Materassino in poliestere, fibra di vetro o cotone atto ad assorbire la resina in

eccesso che fuoriesce dal laminato. La conformazione del materiale è tale da avere elevate

capacità di assorbimento e da evitare la completa chiusura di tutti i pori per effetto della

pressione applicata. In funzione della grammatura e dello spessore

possibile ottenere differenti livelli di assorbimento. Anche in questo caso la scelta della

tipologia e della quantità di bleeder da utilizzare dipende dal contenuto di resina che è

richiesto al manufatto finale.

PTFE®

4) Barrier. Film in o materiale antiaderente non poroso per consentire la separazione

tra bleeder e breather e facilitare l’apertura del sacco e la rimozione del laminato dallo stesso

a polimerizzazione avvenuta.

5) Breather. Simile al bleeder ma con maggiore porosità ha la funzione di distribuire

uniformemente il vuoto in tutto il sacco. Funziona come una membrana osmotica permettendo

la fuoriuscita di aria e sostanze volatili. Assolve anche il compito di evitare che pieghe e difetti

di giacitura del sacco da vuoto possano essere trasferite al laminato sottostante. Una funzione

ulteriore è quella di proteggere il film con cui viene realizzato il sacco da vuoto da eventuali

spigoli dello stampo che potrebbero causare rotture accidentali. Per laminati sottili o basso

contenuto di resina è talvolta possibile utilizzare esclusivamente il bleeder (che agisce in tal

caso anche da breather).

6) Sacco da vuoto. Film polimerico, tipicamente nylon, fortemente espandibile per potersi

conformare facilmente all’assieme stampo-laminato-altri materiali di consumo sottostante.

Per cicli di polimerizzazione ad alte temperature (superiori ai 200°C) si utilizzano film di

(Kapton®).

poly-imide Al sacco da vuoto sono applicate anche le valvole che permettono la

fuoriuscita dell’aria e di tutte le sostanze volatili. Grazie all’azione del breather è

generalmente possibile avere un solo punto di aspirazione.

Per sigillare il sacco da vuoto allo stampo viene utilizzata della comune plastilina.

Il sacco da vuoto è dotato infine di trasduttori di temperatura e prese di pressione per il

controllo in retroazione del ciclo di polimerizzazione. Una o più termocoppie vengono

distribuite all’interno del sacco direttamente a contatto del laminato. Esse sono fatte

fuoriuscire attraverso il nastro di sigillante.

Le prese di pressione, al pari dei punti di aspirazione, sono realizzate mediante l’applicazione

al sacco di una o più valvole.

Talvolta, perifericamente al laminato, vengono posizionate delle dighe contenitive (dam) con

la duplice funzione di limitare la fuoriuscita di resina e bloccare la possibilità di movimento

alle fibre (sia il movimento intralaminare sia quello relativo fra le lamine.

Un problema tipico che si riscontra nei processi per laminazione in stampo aperto è quello di

riuscire a replicare eventuali spigoli presenti nello stampo. Questo problema dipende

principalmente da due fattori. Il primo fattore è il livello di drappabilità delle lamine; il

secondo fattore è quello che viene denominato “effetto ponte” del sacco da vuoto.

Per ridurre questi effetti vengono utilizzati materiali elastomerici che, posizionati sopra il

laminato in corrispondenza dello spigolo, agiscono durante il ciclo di polimerizzazione come

distributori ed intensificatori di pressione grazie alle loro elevate caratteristiche di formabilità

ed espandibilità termica. La Figura 37.33

mostra il posizionamento di un nastro

elastomerico (intensifier pressure strip) in

corrispondenza di uno spigolo interno.

La presenza del nastro riempie tale area ed

annulla quest’effetto.

Diversamente, l’effetto dovuto alla

drappabilità del prepreg è più difficilmente

eliminabile. Pur utilizzando gli intensificatori

elastomerici, spesso si ottengono laminati con

difetti di forma non accettabili. Nella maggior

parte dei casi è preferibile

eliminare il problema alla radice

progettando e disegnando il

componente senza spigoli vivi. In

genere è’ sufficiente imporre un

piccolo raggio di curvatura

(dell’ordine di alcuni mm) al

laminato (ovvero allo stampo).

Al fine di non introdurre forti

concentrazioni di sforzo che

potrebbero far superare gli

ammissibili del materiale tale

variazione di spessore viene in genere introdotta gradualmente attraverso una zona di

rastremazione realizzata direttamente in fase di laminazione. Nel caso in figura lo spessore si

dimezza passando da 52 lamine a 28. La metà delle lamine totali dunque si interrompe (ply

drop-off). Poiché in corrispondenza dell’interruzione di ogni singola lamina si ha una zona

localizzata a forte concentrazione di sforzi si può limitare questo effetto distribuendo lungo

lo spessore le lamine che si interrompono (ply drop-off distribuito).

37.2.3 La polimerizzazione

La polimerizzazione è la fase che conferisce al laminato le sue caratteristiche finali. Perché

ciò avvenga è necessario agire contemporaneamente su due parametri: temperatura e

pressione. E’ noto dal capitolo 32 che la resina dei preimpregnati (tipicamente resina

epossidica) sia già catalizzata e quindi il processo di polimerizzazione sia già innescato.

L’innalzamento della temperatura favorisce tuttavia la reticolazione sia accelerando il

processo sia conferendo alla resina caratteristiche e prestazioni superiori. Per ogni sistema di

resina esiste un ciclo di polimerizzazione ottimale (ed una corrispondente temperatura di

polimerizzazione) che permette di ottenere la reticolazione completa della resina e,

conseguentemente, le caratteristiche fisiche e meccaniche migliori.

Ciò tuttavia non è sufficiente. Perché la resina esibisca caratteristiche meccaniche elevate è

infatti necessario ridurne anche il contenuto di vuoti.

L’evacuazione di bolle d’aria e di tutte le sostanze volatili può essere ottenuta efficientemente

con l’azione combinata di una pressione esterna (al sacco), che preme il laminato contro lo

stampo, e della depressione esercitata dal sacco da vuoto. La pressione esterna amplifica

infatti l’azione del sacco ottenendo un laminato con un livello di compattazione più elevato.

L’effetto benefico di ciò è ben evidente nei laminati spessi in cui la sola azione del vuoto non

è sufficiente a generare una soddisfacente adesione interlaminare.

L’autoclave è essenzialmente un serbatoio in pressione in cui è possibile variare la

temperatura e la pressione nonché il vuoto all’interno del sacco. Con questo tipo di impianto

il laminato viene sottoposto ad un ciclo di polimerizzazione in temperatura mentre

contemporaneamente agisce su di esso uno stato di pressione idrostatico. Il punto di forza

dell’autoclave sta proprio nella possibilità di esercitare uno stato di pressione idrostatico.

Questa sollecitazione fa sì che sul laminato agisca uno stato di sforzo che è in ciascun punto

diretto come la normale del laminato in quel punto. Affinché il ciclo in autoclave sia eseguito

correttamente è necessario garantire l’isolamento tra il volume interno al sacco da vuoto e

l’atmosfera esterna pressurizzata. Questo compito è assolto dal sacco da vuoto

indipendentemente dal livello di depressione creato. Se non ci fosse questa separazione la

pressione idrostatica sarebbe per definizione presente ovunque e quindi anche all’interno del

laminato (ovvero fra lamina e lamina) con il risultato che non agirebbe nessuna differenza di

pressione e quindi non si avrebbe nessuna compattazione

. Unitamente al suo basso rateo produttivo ciò rappresenta il suo principale svantaggio perché

diventa difficile ammortizzare gli investimenti iniziali.

Un altro aspetto che riduce i costi ciclo è l’esecuzione di cicli di co-curing. Con tale termine

sono identificati tutti quei cicli durante i quali l’incollaggio di due o più componenti in

composito è effettuata contemporaneamente alla loro polimerizzazione. Perché ciò sia

possibile anche in questo le temperature e le pressioni di polimerizzazione dei prepreg e dei

film di adesivo devono essere compatibili.

Nei cicli standard la camera dell’autoclave è pressurizzata con aria. Essendo tuttavia la

reticolazione un processo fortemente esotermico con possibilità di autocombustione del

materiale in taluni casi è preferibile l’utilizzo di gas inerti che non possano alimentare (a

differenza dell’aria), eventuali principi di combustione.

I fattori che possono determinare la necessità di utilizzare gas inerti (quali azoto o anidride

carbonica) sono:

• temperature di polimerizzazione delle resine superiori ai 180°C;

• inerzia termica degli stampi elevata;

• spessori dei laminati da polimerizzare elevati.

Se è evidente l’influenza dei primi due fattori non altrettanto chiara può esserlo quella del

terzo.

La pericolosità di avere elevati spessori risiede nel fatto che quando si innesca la reticolazione

la parte più interna del laminato può subire un brusco riscaldamento (a causa della reazione

esotermica) che non riesce ad essere controllato dal sistema. L’impianto di raffreddamento

non è in tal caso sufficiente a contrastare il gradiente termico del nucleo del laminato e la

reazione non è più controllata.

37.2.3.2 La polimerizzazione in forno ed in pressa

In alternativa all’autoclave, soprattutto per la polimerizzazione di componenti a cui non sono

richieste prestazioni meccaniche particolarmente severe, è possibile utilizzare tecnologie

meno costose.

Fra queste, una delle più semplici è l’utilizzo del forno assistito da vuoto. In questo caso si

può agire direttamente solo sulla temperatura e sul vuoto. La compattazione del laminato può

avvenire in tal caso o per la sola azione del sacco da vuoto oppure mediante l’utilizzo di

tooling appositi.

Il caso più semplice è quello dei tooling elastomerici: essendo di materiale con elevato

coefficiente di espansione termica, un mandrino siffatto può ad esempio essere utilizzato

insieme ad uno stampo femmina per esercitare dall’interno una pressione (che prema il

laminato contro lo stampo femmina) a seguito del riscaldamento di tutto l’assieme alla

temperatura di polimerizzazione.

Sfruttando l’effetto opposto di quello degli attrezzi espandibili è possibile utilizzare coperture

termoretraibili (tipicamente in forma di nastri o fogli) con cui rivestire l’assieme laminato-

stampo maschio.

Essendo un impianto molto più semplice dell’autoclave, e conseguentemente anche molto più

economico, la polimerizzazione in forno è largamente utilizzata, soprattutto se non è

necessario garantire prestazioni meccaniche particolarmente elevate ai manufatti.

Un’altra tecnologia alternativa all’autoclave ed utilizzabile per la produzione di pannelli piani

e laminati con forme sufficientemente semplici è la pressa a piani riscaldati, che può essere

assistita da vuoto oppure no.

CAPITOLO 38

TECNOLOGIE DI PULTRUSIONE E ROLL WRAPPING

Sinossi

la pultrusione è l’unica tecnologia “in continua” dei materiali compositi ed è grado di produrre

con alto rateo componenti a fibra continua, aventi però le seguenti due limitazioni

morfologiche di base: sezione costante ed asse rettilineo.

Un profilo pultruso è costituito dalle fibre di rinforzo, dalla resina che solidarizza i rinforzi,

da un surfacing mat (garza superficiale) che ne migliora l’aspetto estetico, la resistenza agli

agenti chimici/ambientali e da una serie di additivi quali pigmenti, acceleratori di

reticolazione, distaccanti interni, riempitivi inerti, etc. I rinforzi sono di solito costituiti da

mat e roving (Figura 38.2) in vetro o, più raramente, carbonio o Kevlar. Le resine possono

essere termoplastiche o, più spesso,

termoindurenti di tipo poliestere,

epossidico o vinilestere. Il processo

tecnologico consiste nel “tirare” i mat ed

i roving continui prima attraverso un

bagno di resina e poi attraverso le

preforme, dove il profilo comincia ad

abbozzarsi e l’eccesso di resina viene

eliminato. Infine il composito passa

attraverso la trafila riscaldata, dove è

reticolato con un processo in continua.

Tramite opportuni mandrini, la

pultrusione è anche in grado di produrre

profili cavi. Questi possono essere

realizzati in modo ancor più conveniente

(rilasciando tra l’altro il vincolo della

costanza della sezione) con la tecnica di

roll- wrapping anch’essa descritta nel

presente capitolo.

38.1 Impianti

L’impianto base per la pultrusione è caratterizzato da uno sviluppo di tipo prevalentemente

longitudinale, con una lunghezza di 12-15m, essendo costituito da una serie di stazioni poste

in serie:

• cantre con i rocchetti di roving ed i rulli di mat

• serbatoio con la resina liquida

• preforme

• trafila riscaldata

• sezione di raffreddamento

per poter determinare la necessaria quantità di rinforzo, per prima cosa deve essere calcolata

la densità della miscela resina + riempitivo

Una volta determinate le frazioni ponderali e volumetriche di resina, riempitivo e fibre, e

conoscendone le caratteristiche termo-chimiche, è possibile determinare il parametro

fondamentale della tecnologia, ovvero la velocità di pultrusione, tramite la semplice

relazione, nella quale vengono trascurate le fasi non stazionarie:

tret = ltra/vpul

• tret =tempo di reticolazione

• ltra = lunghezza della trafila

• vpul = velocità di pultrusione

Il tempo di reticolazione (in genere variabile da alcune decine di secondi a pochi minuti) è un

dato del problema e dipende da:

formulazione della resina

• tipo di catalizzatore

• quantità di catalizzatore

• temperatura della trafila

• spessore del profilo

In particolare quest’ultimo aspetto è di importanza fondamentale: infatti non si possono

produrre spessori minori di 1,5-2,5mm a causa della difficoltà di ottenere un laminato

costituito da roving, mat e surfacing veil, né maggiori di 70-80mm, in quanto la reazione di

reticolazione esotermica potrebbe portare a pirolisi la parte interna del laminato.

38.7 Roll Wrapping

dal punto di vista metodologico, la tecnologia del roll wrapping (o tube rolling) è simile alla

laminazione di pre-impregnati, mentre per quanto riguarda la morfologia dei prodotti, essa è

assimilabile al filament winding o alla pultrusione, in quanto possono essere realizzati

unicamente manufatti (cavi) ad asse rettilineo e sezione circolare costante o debolmente

variabile. Il processo richiede investimenti iniziali modesti ed è particolarmente adatto alla

produzione in grande serie di componenti tubolari. La metodologia consiste nell’arrotolare il

pre-impregnato su un mandrino rimovibile cilindrico o tronco-conico, avvolgerlo con film

termo-retraibile per generare la pressione di compattazione ed infine reticolarlo in forno .

I vantaggi della tecnologia di roll wrapping possono essere così riassunti:

i costi di investimento iniziale (impianto + attrezzature) sono molto contenuti;

• il processo dà luogo a manufatti con una frazione volumetrica di fibre più alta rispetto

• a tecnologie alternative, quali la pultrusione ed il filament winding;

il processo è in grado di realizzare sequenze di qualsivoglia tipologia di impaccamento,

• a differenza di quanto accade per la pultrusione ed il filament winding;

il processo è adatto alle produzioni in grande serie;

• il costo di prototipizzazione è molto contenuto

• possono essere prodotti manufatti di spessore anche molto sottile e di sezione variabile,

• di norma irrealizzabili per pultrusione.

Per contro, il roll wrapping ha alcune limitazioni:

non possono essere prodotti manufatti di forma complessa o a doppia conicità, ma solo

• tubi cilindrici o tronco-conici;

non possono essere prodotti manufatti di forte spessore, stante l’impossibilità di

• applicare la pressione necessaria alla compattazione;

il controllo dell’orientazione delle fibre può talvolta essere problematico.

CAPITOLO 39

TECNOLOGIE DI FILAMENT WINDING, TAPE PLACEMENT E BRAIDING

Le tecnologie di avvolgimento ( filament winding )( braiding) rispondono appieno a questi

criteri in quanto, limitatamente a geometrie assialsimmetriche cave, sono in grado di disporre

le fibre di rinforzo secondo la giacitura degli sforzi principali; inoltre esse danno luogo a

frazioni volumetriche del rinforzo pari a quelle della formatura in sacco da vuoto; infine il

filament winding e il braiding sono tecnologie intrinsecamente automatizzabili ad elevato

rateo produttivo e quindi economicamente convenienti.

39.1 Processo, materiali, impianti

il filament winding è un processo tecnologico relativamente semplice e bio-mimetico (imita

il baco da seta quando produce il bozzolo che lo avvolge) nel quale un rinforzo continuo nella

forma di roving o monofilamento viene avvolto attorno ad un mandrino rotante.

Può essere eseguito il wet winding (avvolgimento a umido) quando il rinforzo è impregnato

in una vasca di resina immediatamente prima di essere avvolto sul mandrino oppure il dry

winding quando sono utilizzati rinforzi pre-impregnati con resina in stadio B (B-stage) di

reticolazione. La reticolazione finale può avvenire a elevata temperatura senza pressione; la

rimozione del mandrino completa il processo e precede le eventuali lavorazioni finali di

macchina.

Le forme devono essere necessariamente assial- simmetriche, sebbene possano essere

ottenute altre forme, grazie alla pressurizzazione interna in stampo chiuso di pre-forme

ottenute per avvolgimento. Si possono ottenere cilindri, tubazioni, forme sferiche, coniche,

geodetiche con diametri da pochi millimetri ad alcuni metri.

Particolari evoluzioni della tecnologia, come il tape placement, sono poi in grado di produrre

forme complesse integrali (fusoliere con i finestrini, gondole motore, prese d’aria e condotti

di forma non assialsimmetrica, pannelli e strutture con irrigidimenti longitudinali e trasversali

materie prime – potenzialmente quasi tutti i tipi di rinforzo continuo possono essere adatti

alla tecnologia. In pratica, nel campo aerospaziale, il filament winding utilizza soprattutto

fibre di carbonio per parti strutturali ed involucri di motori a combustibile solido, fibre

aramidiche per serbatoi e tubazioni. Tutti gli altri settori industriali usano soprattutto fibre di

vetro.

In genere le matrici sono costituite da resine epossidiche, poliestere e vinil-estere. Al

contrario, le resine poli-imidiche, fenoliche e siliconiche (che pure hanno caratteristiche

meccaniche e funzionali attraenti) vengono utilizzate più raramente a causa dei prodotti di

condensazione che si generano durante il processo di reticolazione.

Il dry-filament winding utilizza pre-impregnati in stato intermedio di reticolazione (stage-B),

che offrono eccellenti controllo di qualità e riproducibilità, in termini di contenuto di resina e

larghezza della bandella. I pre-impregnati vengono ottenuti con tecniche hot-melt, ove la

resina è formulata con additivi per aumentarne l’appiccicosità ed allungarne il periodo di

stoccaggio. Tali additivi possono però promuovere l’incubazione di vuoti durante la

reticolazione, i quali riducono le caratteristiche meccaniche. Per ovviare a questo

inconveniente, specie negli avvolgimenti di elevato spessore, vengono effettuate

compattazioni intermedie.

Il wet-filament winding comporta l’impregnazione preliminare dei roving in vaschette o

tramite rulli dosatori. È un processo a minor costo, ma il contenuto di resina dipende dalla

sua viscosità, dalla pressione all’interfaccia con il mandrino e dal suo diametro, dal numero

di strati per unità di lunghezza e dalla tensione di avvolgimento.

impianti – gli impianti per il filament winding variano da macchine semplici, la cui

architettura è assimilabile a quella delle bobinatrici o dei torni paralleli, a più complicate

macchine a controllo numerico con 3 o 4 gradi di libertà. Il mandrino è in posizione verticale

per eliminare deflessioni dovute al peso proprio e per consentire una più semplice costruzione

del braccio di alimentazione. Inoltre una tale architettura permette un più semplice controllo

del movimento della macchina. La rotazione del braccio di alimentazione è continua ed a

velocità uniforme, in maniera da evitare effetti inerziali. Per contro, questa soluzione è

limitata al dry-winding, in quanto la vasca di impregnazione sarebbe di difficile integrazione

nell’impianto.

39.6 Pro e contro del filament winding

in conclusione, qui di seguito vengono riassunti i principali passi tecnologici comuni a tutte

le tecnologie di wet filament winding:

• i rocchetti di roving (strand, yarns o tow) vengono posizionati sulle cantre;

• numerosi roving (strand, yarns o tow) vengono fatti passare attraverso opportune

guide e condotti fino all’occhiello di alimentazione;

• la resina, il catalizzatore e gli eventuali additivi vengono mescolati e poi versati

nella vaschetta d’impregnazione;

• la superficie del mandrino viene ricoperta con gli strati di distaccante e di gel-coat

(quando applicabile); il mandrino viene poi posizionato fra la testa conduttrice e la

testa condotta della macchina per l’avvolgimento;

• le fibre che sono state fatte passare attraverso la vaschetta di impregnazione e

l’occhiello di alimentazione vengono posizionate al punto di partenza sulla

superficie del mandrino; un opportuno dispositivo le mette tensione;

• il mandrino ed il carrello con l’occhiello di alimentazione vengono messi in

movimento; il sistema di controllo della macchina coordina i

• due movimenti in maniera da ottenere il percorso di avvolgimento desiderato;

• le bandelle di fibra vengono avvolte sulla superficie del mandrino; lo spessore del

laminato aumenta via via che l’avvolgimento progredisce;

• per migliorare la compattazione e per ottenere una superficie esterna liscia,

l’avvolgimento finito viene bendato con un bleeder ricoperto di PTFE oppure con

un film termoretraibile;

• il mandrino ricoperto con l’avvolgimento in composito viene rimosso dalla

macchina per il filament winding e posto in

un’autoclave o in forno per la reticolazione;

• completata la reticolazione, il mandrino viene

estratto dall’avvolgimento in composito per

essere riutilizzato, oppure viene distrutto

oppure viene lasciato in posto (liner).

Il filament winding ha conquistato un’importanza

rilevante nelle applicazioni generali ed in particolare in

quelle aerospaziali grazie alla sua capacità di deporre fibre

con una giacitura accurata e ripetibile; i vantaggi di questa

tecnologia sono:

• alta frazione volumetrica del rinforzo;

• il rinforzo lavora nella maniera ottimale (trazione);

• elevata compattazione ed assenza di vuoti;

• per talune applicazione come i serbatoi in pressione,

gli SRMC ed i booster, il filament winding è l’unica

metodologia in grado di produrre manufatti ad

altissime prestazioni e costo contenuto;

• il filament winding può utilizzare materie prime ed

attrezzi a basso costo per produrre manufatti a costo

contenuto;

• il filament winding può essere altamente

automatizzato ed è adatto ai grandi volumi

produttivi.

Il filament winding è estremamente conveniente per

produrre manufatti cavi di forma semplice, ma è afflitto

comunque da talune limitazioni:

• forme chiuse o concave possono essere realizzate con difficoltà, come pure forme cave

a gomito. In taluni casi il filament winding può essere utilizzato per produrre strutture

aperte come i fogli delle molle a balestra, ove il laminato ottenuto per avvolgimento

viene tagliato in due metà e poi formato per compression moulding;

• non tutte le orientazioni delle fibre possono essere ottenute facilmente durante il

processo di avvolgimento. In generale la stabilità delle fibre è garantita solo dagli

avvolgimenti geodetici, mentre i bassi angoli (0-15°) sono ottenuti con difficoltà: i

manufatti avvolti sono perciò adatti a sopportare carichi di pressione interna/torsione,

ma non di trazione/flessione;

• durante il processo di avvolgimento è difficile garantire l’uniforme distribuzione di

resina e fibre attraverso lo spessore del laminato.

39.7 Braiding

l braiding è un processo di tessitura noto per la sua semplicità e versatilità. Le peculiarità dei

manufatti prodotti con questa tecnica sono la conformabilità (superfici a doppia curvatura),

la stabilità torsionale e la damage tolerance. Nel processo di braiding, due o più sistemi di

yarns sono intrecciati per realizzare una struttura integrata, ma in modo diverso rispetto ai

tessuti di tipo woven o knitted

Il braiding ha molti punti in comune con il filament winding. Possono essere utilizzati yarn,

tow o roving asciutti o pre-impregnati intrecciandoli in maniera controllata sopra una

forma/mandrino rotante e rimovibile. Si possono così ottenere svariate forme, orientazioni e

frazioni volumetriche delle fibre. Sebbene il braiding non sia in grado di eguagliare il filament

winding in termini di contenuto in fibre, esso può realizzare forme più complesse e curvature

anti- clastiche. Inoltre i manufatti braided posseggono intrinsecamente elevata integrità

strutturale, tolleranza al danno, tenacità intra- e inter-laminare, facilità di collegamento e

movimentazione. Rispetto al filament winding, il braiding è in grado di generare anche

giaciture longitudinali rispetto all’asse del mandrino.

CAPITOLO 42

ATTREZZI DI FORMATURA E MATERIALI DI CONSUMO PER LE

TECNOLOGIE DEI COMPOSITI

Il ritiro dimensionale

Il primo di questi è sicuramente il ritiro dimensionale (shrinkage) del materiale composito.

La riduzione del volume o delle dimensioni lineari che si manifesta durante il processo di

reticolazione della resina dovuta alla contrazione termica del materiale influenza infatti la

geometria del componente finito.

Il coefficiente di dilatazione termica del materiale dello stampo e del prodotto

Ogni materiale espande e si contrae in misura diversa quando viene riscaldato e raffreddato.

Il coefficiente di dilatazione termica o coefficiente di espansione termica (Coefficient of

Thermal Expansion - CTE) è il parametro che quantifica l’entità di queste variazioni

dimensionali. Al fine di evitare la nascita di tensioni residue e imprecisioni dimensionali nel

prodotto finale è opportuno che il CTE dello stampo e quello del prodotto siano quanto più

simili possibile.

La rigidezza dello stampo

In generale i processi di formatura dei compositi richiedono l’applicazione di adeguati livelli

di pressione che consentano la formatura del manufatto nonché la corretta compattazione

degli elementi costituenti, siano essi le fibre e la resina di processi quali la pultrusione o

l’avvolgimento filamentare oppure le lamine di preimpregnato della formatura in autoclave.

Gli attrezzi devono essere in grado di trasferire tali livelli di pressione senza deformarsi (al

fine di evitare variazioni alla geometria finale del manufatto) e quindi devono essere

sufficientemente rigidi.

La finitura superficiale

Il livello di finitura superficiale di un componente in composito dipende essenzialmente dalla

finitura superficiale dell’attrezzo di formatura utilizzato.

I raggi di curvatura

Durante la progettazione di uno stampo è necessario evitare la presenza di spigoli vivi che

comportano la nascita di difettosità nei manufatti, quali sacche di resina, bolle superficiali, e

che ne possono rendere difficoltosa la sformatura.

42.2 Gli attrezzi per la formatura in autoclave

La formatura in autoclave (vedere capitolo 37) è un processo di formatura in stampo aperto

basato

Come è ben noto, durante il ciclo lo stampo è assoggettato ad uno stato di pressione idrostatica

che può raggiungere al più valori tipicamente compresi tra i 3bar e i 7 bar (per i compositi in

resina termoindurente). In linea teorica un tale stato di sollecitazione non richiederebbe

l’utilizzo di stampi rigidi ed una semplice lamiera stampata avente la forma del pezzo da

realizzare sarebbe sufficiente per conferire al manufatto la geometria desiderata. In realtà un

certo grado di rigidezza è richiesto per garantire allo stampo la stabilità dimensionale che

consenta l’esecuzione di tutte le azioni che caratterizzano le fasi del ciclo tecnologico: ad

esempio, le sollecitazioni esercitate sullo stampo durante la laminazione delle pelli, lo stato

di depressione prodotto dal sacco da vuoto, le forze applicate durante la movimentazione tra

le varie stazioni di lavoro nonché quelle indotte nella fase finale di sformatura.

Un’alternativa agli stampi macchinati, è quella di adottare stampi di lamiera opportunamente

irrigiditi mediante una struttura esterna.

Come si può notare il foglio di lamiera è mantenuto nella forma del profilo alare attraverso

una serie di centine esterne fissate ad una base rigida. Una tale configurazione della

sottostruttura si chiama struttura del tipo eggcrate.

42.2.1 Stampo maschio e stampo femmina

Per sua definizione uno stampo aperto è in grado di “trasferire” con precisione la geometria

al componente da formare solamente su una faccia dello stesso ovvero quella a contatto con

lo stampo durante il processo.

In funzione dei requisiti del componente è necessario quindi selezionare quale sia la superficie

dello stesso cui deve essere garantita un’elevata precisione dimensionale. Si individua così la

“mold line” sulla base della quale si progetta lo stampo che potrà essere di tipo maschio (inner

mold line) oppure di tipo femmina (outer mold line) come esemplificato nello schema della

figura sottostante.

2.2.3 Le caul-plate rigide

Essendo un processo in stampo aperto, la formatura

in autoclave presenta inevitabilmente problemi di

controllo dimensionale relativamente allo spessore

del manufatto ed alle irregolarità geometriche sulla

faccia opposta allo stampo. Ad esempio, è necessario

garantire le tolleranze dimensionali richieste nel caso

di accoppiamento meccanico con la struttura su cui la parte deve essere montata.

Questo aspetto può essere controllato e gestito adottando attrezzi specifici chiamati caul-plate

rigide.

generalmente le caul-plate vengono impiegate per controllare:

• i bordi di un laminato, specialmente quando lo stesso debba essere montato sulla

struttura in accoppiamento;

• il contorno di un foro di accesso che deve essere opportunamente protetto (caul plate

di protezione)

• le flange di profili formati su stampo maschio;

• la superficie esterna delle solette di travi ad I.

Le caul plate devono essere molto rigide al fine di evitare deformazioni alle stesse (e di

conseguenza ai laminati) per effetto della pressione di compattazione applicata durante il ciclo

produttivo. Questo aspetto è particolarmente critico e richiede particolare attenzione in fase

di progettazione.

42.2.5 Rapid tooling e soft tooling

Con il termine Rapid Tooling, o attrezzaggio rapido, si intendono tutti gli attrezzi prodotti

con tecniche di prototipazione rapida. Essi sono tipicamente utilizzati come stampi pilota

oppure per la realizzazione delle pre- serie. Caratteristica principale di questa classe di attrezzi

è la velocità di realizzazione ed il costo contenuto. Le tecniche dell’attrezzaggio rapido

possono essere classificate in tecniche di tipo diretto (dove la macchina RP produce

direttamente l’attrezzatura) e tecniche di tipo indiretto (dove si combina il prototipo rapido,

usato come modello master, con processi tradizionali per ottenere l’attrezzatura). Possono

essere ritenute appartenenti a quest’ultima classe anche le tecniche di produzione per

elettroformatura.

Con il termine soft tooling si intendono gli attrezzi leggeri ovvero realizzati con materiali che

non garantiscono tempi di vita molto elevati e che, di conseguenza, vengono utilizzati per la

produzione di serie limitate. Caratteristica del soft tooling è, come per il rapid tooling, il

tempo di approntamento ridotto. Un esempio di questa classe di attrezzaggi sono gli stampi

di grafite/epoxy.

CAPITOLO 44

TECNICHE DI GIUNZIONE CONTINUA DEI MATERIALI COMPOSITI:

INCOLLAGGIO E SIGILLATURA

44.1 Giunzioni incollate

secondo le normative ASTM, un adesivo è “una sostanza in grado di tenere assieme i materiali

in maniera funzionale tramite l’adesione superficiale”. Questa adesione può derivare da

svariati meccanismi, talvolta di origine elettrostatica o meccanica, ma più spesso basati sulla

formazione di legami chimici. L’incollaggio è il processo tecnologico di unione dei materiali

per mezzo dell’interposizione di un adesivo. L’intento primario degli incollaggi strutturali è

di realizzare giunzioni con resistenze tali da sollecitare gli aderenti e l’adesivo a livelli di

sforzo prossimi alla loro resistenza ultima.

Una giunzione incollata collega strutturalmente gli aderenti attraverso una distribuzione di

sforzi più uniforme rispetto alle giunzioni meccaniche, in quanto:

• non vengono realizzate forature riduzione delle concentrazioni di sforzo;

• le forze di collegamento sono distribuite sulla superficie distribuzione uniforme;

• la superficie interessata dalla giunzione è estesa riduzione del valore degli sforzi.

Considerando non solo le prestazioni strutturali, ma anche quelle funzionali, i vantaggi delle

giunzioni incollate rispetto alle tecniche concorrenti sono:

• grande capacità di trasferire carichi elevati grazie all’estesa superficie di incollaggio;

• minimizzazione delle concentrazioni sforzo grazie all’assenza di discontinuità, nonché

al comportamento visco-elastico degli adesivi;

• possibilità di collegare sia aderenti molto sottili che aderenti molto spessi;

• l’incollaggio non modifica né la composizione chimica né la struttura degli aderenti;

• l’incollaggio è adatto a collegare materiali anche totalmente dissimili;

• l’incollaggio può svolgere contestualmente anche la funzione di sigillatura;

• l’incollaggio con adesivi polimerici conferisce anche un isolamento termico ed

elettrico;

• l’incollaggio minimizza o previene i fenomeni di corrosione galvanica tra materiali

dissimili;

• l’incollaggio smorza le vibrazioni;

• l’incollaggio migliora il comportamento alla fatica e conferisce tolleranza al danno;

• l’incollaggio dà luogo a giunzioni di elevata efficienza strutturale (prestazioni/peso);

• l’incollaggio non produce protuberanze ed è aerodinamicamente poco invasivo;

• il costo di una giunzione incollata è poco dipendente dall’estensione: la sua esecuzione

può essere più veloce e meno costosa rispetto alle tecniche concorrenti.

Per altro, le giunzioni incollate sono afflitte anche da numerosi svantaggi:

• sensibilità strutturale ai carichi di peeling e di strappamento rispetto ai carichi di

trazione e di taglio;

• analisi strutturale complessa per applicazioni critiche o con geometria non semplice;

• è necessaria un’accurata preparazione delle superfici degli aderenti;

• è necessario un rigido controllo di processo;

• talvolta il tempo ciclo deve essere molto breve;

• talvolta il tempo di polimerizzazione è molto lungo;

• non è applicabile l’ispezione diretta: devono essere effettuati controlli non distruttivi;

• la riparazione di giunzioni difettose è praticamente impossibile;

• la temperatura massima di funzionamento di un incollaggio può essere molto limitata;

• la durabilità di una giunzione incollata è molto dipendente dalle condizioni ambientali

(valori di temperatura e concentrazioni di umidità);

• gli adesivi possono essere sensibili all’attacco chimico di alcuni solventi;

• alcuni tipi di adesivi (specie quelli organici) sono sensibili all’attacco di funghi e

batteri)

- geometria del giunto: lo sforzo di rottura di un giunto incollato dipende dalle caratteristiche

meccaniche dei materiali che lo costituiscono, dall’estensione del contatto (nonché dal

numero, dimensioni, tipo e distribuzione dei vuoti), dalla presenza di sforzi interni, dalla

geometria del giunto e dalla modalità di carico

Nei giunti a semplice sovrapposizione l’entità dei picchi di sforzo all’estremità può essere

ridotta (e la resistenza del giunto aumentata) grazie ad accorgimenti quali:

• aumento della lunghezza di sovrapposizione;

• aumento dello spessore degli aderenti per aumentarne la rigidezza o, in alternativa,

• riduzione dello spessore degli aderenti per facilitare il cedimento flessionale;

• rastremare lo spessore degli aderenti (giunto a bisello);

- preparazione delle superfici: prima di realizzare un giunto incollato è sempre necessario

procedere alla preparazione delle superfici degli aderenti per rimuovere impurità, strati di

ossido e residui di lubrificante.

• metalli: immersione (seguita da lavaggio ed asciugatura) in soluzioni fortemente acide

(acido solforico e dicromato sodico, per l’alluminio) o fortemente alcaline (ipoclorito

di sodio, per il rame);

• vetri e ceramiche: immersione in una soluzione a 60 °C di acido solforico e dicromato

di potassio, seguita da lavaggio ed asciugatura;

• polimeri termoplastici: nel caso di poliolefine, trattamento preliminare con plasma

freddo, seguito da immersione in soluzione di acido solforico e dicromato di potassio;

• polimeri termoindurenti: nel caso di fenoliche, poliestere ed epossidiche, abrasione

LASER o meccanica, seguita dall’asportazione dei detriti tramite lavaggio con

solvente;

44.3 Meccanismi di adesione

L’ottenimento di un intimo contatto molecolare all’interfaccia tra adesivo ed aderenti

costituisce il primo, indispensabile, passo per il costituirsi di una giunzione adesiva forte e

stabile. Il passo successivo consiste nella generazione di forze adesive intrinseche attraverso

l’interfaccia, la cui natura ed intensità sono estremamente importanti. Esse devono infatti

essere sufficientemente forti e stabili per garantire che l’interfaccia non costituisca l’anello

debole della giunzione, sia al momento della realizzazione del giunto, sia durante la sua

successiva vita operativa. Disolitocisi riferisce ai vari tipi di forza intrinseca che possono agire

attraverso l’interfaccia adesivo/aderenti con la definizione generale di meccanismi di

adesione.

Le forze molecolari agenti negli strati superficiali dell’adesivo e degli aderenti influenzano in

maniera decisiva l’ottenimento di un contatto molecolare intimo attraverso l’interfaccia: tali

forze costituiscono infatti il meccanismo principale di adesione secondo la teoria

dell’adesione per adsorbimento. Ciononostante, questa rappresenta uno solo dei diversi

meccanismi di adesione che sono stati proposti, che sono:

• interconnessione meccanica;

• teoria della diffusione;

• teoria elettronica;

• teoria dell’adsorbimento;

• teoria dell’appiccicosità (tacking). Nonostante la teoria dell’adsorbimento possegga

la più vasta applicabilità, ciascuna delle alternative può essere la più appropriata in

talune circostanze particolari.

44.4 Tipologie di adesivi

sono disponibili numerosissimi tipi di adesivi, la maggior parte di origine sintetica, altri di

origine naturale. Convenzionalmente essi vengono suddivisi in cinque categorie principali:

• strutturali

• hot-melt

• sensibili alla pressione

• a base di acqua

• reticolabili con ultravioletti o electron beam

CAPITOLO 55

ASSEMBLAGGIO:SCALI, TOLLERANZE, INTERCAMBIABILITÀ

55.1 Assemblaggio

l’assemblaggio di un velivolo differisce notevolmente dall’assemblaggio di un comune

complessivo meccanico o di un qualsiasi veicolo terrestre. Infatti, in conseguenza della

morfologia e dei materiali con cui sono realizzati, i componenti delle strutture aeronautiche

sono meno rigidi e meno precisi di quelli della meccanica generale. Inoltre essi non possono

far riferimento ad una struttura di base, come il telaio di un veicolo ferroviario o la scocca di

un’autovettura.

Ciò giustifica la necessità di ricorrere ad un gran numero di assemblaggi parziali preliminari

all’assemblaggio finale e rende ragione della numerosità e della complessità delle attrezzature

di assemblaggio.

Nelle tradizionali costruzioni metalliche a semi-guscio è conveniente procedere ad un

frazionamento della struttura in sotto-assiemi non smontabili (Figura 55.1), in quanto:

• gran parte del lavoro avviene su scali più piccoli, comodi ed accessibili, e quindi in

condizioni economicamente più convenienti;

• è possibile utilizzare squadre di operatori specializzate, ottimizzandone le curve

d’apprendimento;

• il lavoro compiuto sullo scalo di assemblaggio finale è ridotto al minimo, così come i

relativi spazi e costi;

• lo scalo di assemblaggio finale è semplificato, in quanto viene ridotto il numero dei

punti di riscontro.

55.2 Scali di montaggio

ciò che finora abbiamo genericamente chiamato attrezzature di assemblaggio, più

propriamente vanno definiti scali di montaggio. Essi hanno lo scopo preciso di permettere,

entro le migliori condizioni possibili, la costruzione di assiemi complessi, rispettosi delle

tolleranze di progetto. Gli scali di montaggio devono consentire di portare a termine, nei tempi

dovuti, con la dovuta precisione e la massima comodità, le seguenti operazioni:

• posizionamento corretto ed invariabile dei pezzi o sotto-assiemi;

• staffaggio;

• imbastitura;

• foratura;

• assemblaggio per rivettatura o saldatura;

• collegamento con macchine utensili portatili;

• allestimento parziale con gli impianti;

• smontaggio finale.

Le caratteristiche della struttura in carpenteria di uno scalo di assemblaggio sono elencate di

seguito in ordine decrescente di importanza:

• rigidezza – la rigidezza dello scalo di montaggio è la condizione necessaria per

garantire l’intercambiabilità degli assiemi prodotti.

• stabilità – una struttura rigida non è necessariamente stabile. Infatti essa può andare

incontro a distorsioni causate dagli sforzi residui presenti nelle saldature dei giunti

oppure a prese di gioco in corrispondenza dei collegamenti bullonat

• comodità – la struttura non deve presentare diagonali, traversi, ingombri tali da rendere

difficile l’azione degli operai, costringendoli ad una continua ginnastica. La zona di

lavoro deve essere accessibile, libera e deve garantire una posizione di lavoro comoda

e naturale

• semplicità – lo scalo di montaggio deve essere semplice da costruire, da regolare e da

utilizzare. Esso deve far uso di materiali facilmente approvvigionabili e di tecnologie

già note e consolidate

• movimentabilità – il concetto di movimentabilità si riferisce sia alla possibilità di

spostare gli scali di montaggio all’interno dello stesso stabilimento per ottimizzare gli

spazi, sia alla possibilità di trasferire gli scali in un altro stabilimento o addirittura in

un altro paese.

• convenienza economica – il costo non deve rappresentare il metro di giudizio

preminente. Infatti l’incidenza della struttura in carpenteria sul costo totale dello scalo

equipaggiato e regolato non supera il 5-10%. Inoltre non va considerato il solo costo

di produzione, bensì il life- cycle-cost: l’importanza di quest’ultimo cresce al crescere

della numerosità produttiva.

55.3 Posizionamento, fissaggio, regolazione

una volta considerate le varie possibilità che si offrono per realizzare la struttura degli scali

di montaggio, è necessario ricordare le due funzioni primarie che essi devono assolvere: il

posizionamento corretto ed invariabile degli elementi che devono essere assemblati ed il loro

fissaggio momentaneo, ma stabile, in questa posizione.

Una volta approntato lo scalo, collocati e fissati i componenti sui riscontri, è necessario

procedere alla loro regolazione, in maniera da garantirne l’esatto posizionamento relativo: si

tratta dell’operazione più ostosa e delicata, che viene condotta utilizzando diversi metodi:

• regolazione con riferimenti indeformabili – i punti di riferimento vengono dapprima

riportati su grandi lastre di granito (indeformabile a temperatura ed umidità) e poi,

tramite queste, trasferiti sullo scalo;

• regolazione con riferimenti macchinati – vengono realizzate alla macchina CNC delle

piastre con quote precise e tolleranze strette; esse vengono collegate per saldatura allo

scalo e si interfacciano ai punti di attacco solidali con la struttura da montare;

• regolazione con dime di riscontro – si tratta di un metodo particolarmente conveniente

quando si tratta di regolare molti scali identici oppure molti scali diversi da utilizzarsi

in fasi successive del montaggio, ma con gli stessi punti di riferimento. Si realizzano

allora delle dime di regolazione, le quali riproducono esattamente i punti di attacco

della struttura da realizzare: con queste si posizionano esattamente i riscontri sullo

scalo;

• regolazione con robot di misura – se le dimensioni lo permettono, si tratta di uno dei

metodi più efficienti e moderni. Lo scalo viene posizionato entro lo spazio di lavoro di

un robot di misura, consistente in un tipo di plotter tridimensionale costituito da travi

indeformabili in fibra di carbonio.

55.4 Intercambiabilità

l’Ingegneria di Fabbricazione ha l’obiettivo di realizzare senza dare spazio

all’interpretazione i progetti dell’Ufficio Tecnico. Quando si tratta di definire le modalità di

montaggio di un assieme più o meno complesso, le informazioni trasferite dall’Ufficio

Tecnico all’Ingegneria di Fabbricazione devono tener conto di due problemi molto importanti

per le costruzioni aeronautiche: a) presenza di vibrazioni che possono dar luogo a prese di

gioco o smontaggi tra i componenti; b) obbligo di garantire l’intercambiabilità tra componenti

a fini manutentivi, sostitutivi, riparativi

Vanno distinti due tipi diversi di intercambiabilità:

intercambiabilità di assemblaggio: interessa gli elementi principali che non sono destinati ad

essere sostituiti in servizio; essa è garantita dalle attrezzature di produzione;

intercambiabilità di sostituzione: si riferisce ai componenti di cui è prevista la sostituzione in

servizio; essa comporta:

il montaggio senza aggiustaggio

la corrispondenza di forme e profili;

l’identità di funzionamento.

Le costruzioni aeronautiche non ammettono l’utilizzo di componenti imperfetti o deteriorati,

che devono poter essere sostituiti molto rapidamente. Per questo motivo, sia le compagnie

aeree che le forze aeree militari attribuiscono grande importanza al concetto di

intercambiabilità di sostituzione.

55.6 Digital manufacturing

il Digital Manufacturing è una tecnologia software emergente, divenuta una componente

chiave della strategia globale PLM (Product Lifecycle Management).

Il Digital Manufacturing supporta:

• modellazione di stabilimento ;

• pianificazione e ottimizzazione di processo;

• simulazione delle operazioni

• valutazione della capacità produttiva

• analisi ergonomia con umanoidi

Il Digital Manufacturing è convenientemente applicabile per:

• consentire visite virtuali agli impianti;

• valutare soluzioni concettuali;

• velocizzare l’avviamento degli impianti;

• validare processi prima di trasferirli alla produzione;

• ottimizzare l’occupazione degli spazi;

• individuare criticità e saturazioni impianto;

• ridisegnare il lay-out;

• identificare “colli di bottiglia”, collisioni e pericoli per i lavoratori prima che accadano;

• migliorare l’utilizzo delle risorse;

• programmare off-line macchinari;

• controllare e validare le attrezzature;

• effettuare verifiche di interferenza;

• eliminare la necessità dei prototipi;

• ridurre le ri-lavorazioni e gli scarti;

• ridurre i rischi.

Il Digital Manufacturing è stato dapprima applicato all’assemblaggio delle strutture

aeronautiche, per poi trovare utilizzo nei settori automobilistico, cantieristico ed elettronico.

CAPITOLO 56

ORGANIZZAZIONE DELLA PRODUZIONE

56.1 Cenni di ricerca operativa

per una migliore comprensione delle metodologie illustrate in questo e nei seguenti capitoli,

è opportuno sintetizzare qui di seguito alcuni concetti, nozioni e strumenti di base della ricerca

operativa:

struttura del processo – la struttura di un processo incide sul lay-out dell’impianto produttivo,

sulle risorse, sulle tecnologie e sui metodi produttivi. In termini di struttura, un processo può

essere di tipo job shop o flow shop. Nel primo caso il processo utilizza risorse di tipo general

purpose ed è altamente flessibile; nel secondo caso esso usa risorse specializzate ed il lavoro

richiede un organizzazione rigida. Il processo produttivo appartiene alla seconda categoria;

analisi del processo – una produzione è costituita da processi, progettati in maniera da

generare valore aggiunto tramite la trasformazione degli input in output utili. Gli input

possono essere materiali, lavoro, energia, capitali; gli output possono essere manufatti o

servizi. L’analisi di processo normalmente consiste nei seguenti passi:

a) definizione dei vincoli di processo;

b) costruzione del diagramma di flusso del processo;

c) determinazione della capacitò di ciascun passo nel processo;

d) identificazione dei “colli di bottiglia”;

e) quantificazione dell’impatto dei “colli di bottiglia”;

f) utilizzazione dell’analisi di processo per prendere decisioni operative e migliorare il

processo stesso;

programmazione lineare – la programmazione lineare è lo strumento matematico utilizzato

per risolvere i problemi complessi di gestione delle operazioni modellabili tramite funzioni

lineari. Un modello consiste in una funzione obiettivo del tipo.

Z=a1X1 +a2X2 +...+anXn

e da vincoli espressi come:

b11X1 +b12X2 +...+b1nXn <c1

....

bm1X1 +bm2X2 +...+bmnXn <cm

dove Z è la funzione obiettivo da ottimizzare, Xi sono la variabili il cui valore va ottimizzato,

ai, bij, ci sono costanti che dipendono dal problema specifico;

work breakdown – un progetto complesso viene gestito innanzitutto suddividendolo in

componenti elementari organizzati in forma gerarchica (Work Breakdown Structure - WBS).

Essa definisce le operazioni che possono essere completate indipendentemente dalle altre,

facilita l’allocazione delle risorse, l’assegnazione delle responsabilità, la misura ed il

controllo del progetto. Usualmente, la WBS viene rappresentata da un diagramma a blocchi.

diagramma di Gantt – originariamente ideato

da Henry Gantt per gestire la produzione

navale, l’omonimo diagramma mostra la

progressione temporale di un progetto tramite

una diagramma a barre orizzontali del tipo

mostrato in Figura 56.2. L’asse orizzontale

rappresenta la scala dei tempi (in tempo assoluto o relativo a partire dall’inizio del progetto).

La risoluzione temporale dipende dalla natura del progetto (settimane, mesi, anni).

Il diagramma di Gantt può anche essere arricchito graficamente allo scopo di comunicare più

informazioni; per esempio:

• la situazione presente viene indicata con un marker verticale;

• la progressione di una fase è evidenziata dalla ombreggiatura della corrispondente

barra;

• le dipendenze tra fasi vengono indicate da connessioni (con opportuno codice colore);

• su ciascuna barra vengono specificate le risorse allocate (per esempio in mesi/uomo);

• possono essere evidenziate le

deadline (scadenze) e le

milestones (punti fermi);

CPM Critical Path Method - il metodo

del percorso critico è una tecnica di

gestione dei progetti sviluppato nel 1957

dalla DuPont, che consente di: a)

visualizzare graficamente la struttura

del progetto; b) prevedere i tempi di

completamento del progetto; c) mettere in evidenza le attività critiche per rispettare le

previsioni temporali. Il CPM rappresenta le attività e gli eventi di un progetto come un

network. Le attività sono rappresentate da nodi, gli eventi da linee tra i nodi.

Il CPM è un metodo deterministico, adatto soprattutto alla pianificazione di progetti con

limitata incertezza sui tempi di completamento: in caso contrario, è da preferirsi il

metodo PERT; PERT Program Evaluation and Review Technique – il PERT è un

metodo sviluppato nel 1950 dalla

U.S.Navy per la gestione del

progetto Polaris. Esso consente

di gestire modelli a network

caratterizzati da tempi di

completamento delle fasi non

determinati. In un progetto,

un’attività rappresenta una fase

che deve essere portata a termine:

il suo completamento coincide

con una milestone. Prima che

un’attività possa iniziare, tutte le

precedenti devono essere state completate. In un diagramma PERT le attività sono

rappresentate sulle linee, le milestones sui nodi.

56.2 Pianificazione della produzione

La pianificazione della produzione è volta a determinare, partendo dai dati disaggregati

relativi ai processi produttivi elementari, le quantità globali fondamentali, quali:

• tempo unitario: somma delle ore lavorabili necessarie a produrre uno specifico

esemplare;

• tempo medio: valore medio calcolato sui tempi unitari di tutti i velivoli prodotti;

• tempo totale: somma dei tempi unitari relativi a tutti i velivoli prodotti;

• avviamento (démarrage nelle figure seguenti): fase produttiva in cui il tempo

unitario non è costante;

• regime permanente: fase produttiva in cui il tempo unitario non è costante (si

riduce) da esemplare a esemplare;

• tempo di regime: tempo di produzione, in ore lavorabili, del primo esemplare in

regime permanente;

• cadenza di regime: numero di esemplari prodotti a regime nell’unità di tempo

• ciclo totale di fabbricazione: intervallo di tempo tra l’inizio della fabbricazione dei

pezzi staccati e la consegna del esemplare;

• intervallo di produzione: durata, misurata in ore lavorabili, che separa la consegna

di due esemplari consecutivi.

56.3 Programmazione della produzione

Ad essa fanno capo le funzioni:


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria aerospaziale
SSD:
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher andreamartani di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Tecnologie e Materiali Aerospaziali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano - Polimi o del prof Di Landro Luca.

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