Esame Tecnologia di fabbricazione manufatti in composito

TECNOLOGIA

Insieme di processi necessari a trasformare materie prime in prodotti finiti aventi valore di mercato, attraverso processi produttivi.

TECNOLOGIE ADDITIVE ISO/ASTM 52900

Processo di unione dei materiali per realizzare parti dal modello 3D. Si pone in contrasto con la produzione sottrattiva.

MATERIALI COMPOSITI

Costituiti da due o più fasi chimicamente distinte, con caratteristiche fisico-meccaniche diverse, separate da un'interfaccia riconoscibile.

COSTITUITI DA:

• MATRICE
  • ha come scopo di tenere insieme il rinforzo
  • permette di distribuire i carichi esterni alla fase di rinforzo
• RINFORZO
  • È la parte che consente al composito di avere resistenza elevata, rigidezza e leggerezza.

Un termine ingegneristico, un materiale composito può essere definito attraverso tale formula:

E_f / E_m > 4

• E_f: modulo di elasticità rinforzo
• E_m: modulo di elasticità matrice

Nel caso in cui questo rapporto è minore di 4 la fase di rinforzo viene detta fase tenacizzante.

PRINCIPALI PROPRIETÀ:

• Resistenti
• Rigidi
• Leggeri
• Con proprietà specifiche per ogni tipo di applicazione
• Offrono soluzioni innovative per superare limiti dei materiali tradizionali

PRINCIPALI APPLICAZIONI:

• Sostituire materiali tradizionali in progetti più sviluppati
• Prodotti innovativi possibili solo con le loro caratteristiche
• Applicazioni pressoché illimitate (Aerospace, automotive, sport...)

Classi Frazione Materiali Compositi

Primo Livello

Basato sul tipo di matrice

• CMC, MMC, PMC

Nel primo livello di classificazione abbiamo:

Compositi a matrice ceramica (CMC)

• Buona resistenza all'usura e ossidazione
• Buone proprietà meccaniche e resistenza a corrosione
• Buona stabilità termica
• Riduce coefficienti di resistenza al creep
• Bassi valori di tenacità e conduttività termica

Rinforzo costituito da fibre di carburo di silicio per cui i valori di rigidezza degli materiali costituenti le due fasi sono :

La fase aggiuntiva una matrice e fase termostruttura spesso muta a ridurre la proprietà della matrice ostativa deperson elementi estremamente forti.

Compositi a matrice metallica (MMC)

Combinano le buone proprietà della matrice metallica come:

• Elevata duttilità
• Basso peso
• Elevata conduttività termica

Con le buone proprietà del rinforzo:

• Elevata rigidità
• Elevata resistenza meccanica
• Elevata resistenza usura
• Basso coeff. dilatazione termica

Reticolazione

Durante il processo di reticolazione avvengono due principali trasformazioni:

1. Gelificazione

Passaggio dallo stato liquido allo stato gelatinoso

• Formazione di Gel elastici con:
• Tg bassa
• Può subire grandi deformazioni
• Non può fluire come un liquido, riduce notevolmente efficace riproduzione

Processo importante prima della gelificazione

2. Vetrificazione

Passaggio dallo stato gelatinoso a solido vetroso

• Istante in cui il materiale termina la reticolazione e può essere estratto dallo stampo

Ottenimento caratteristiche di rigidezza e resistenza della massa indurita

Andamento viscosità con processo di cura con T inizialmente crescente e poi mantenuta costante

All'inizio t=0 siamo a T_amb e ho una viscosità bassa, nel momento in cui si avrà il processo di polimerizzazione diminuisce la viscosità con il crescere della Temperatura.

Nei primi istanti se aumentiamo leggermente la T del processo la viscosità diminuisce notevolmente poiché le molecole che si formano sono residue hanno maggiore mobilità. Dopo un certo valore diviso allo stato di vetrificazione.

Fibre di vetro

• Le più utilizzate perché presentano caratteristiche meccaniche discrete e hanno un costo decisamente inferiore rispetto le altre fibre.
• Buon compromesso/rapporto tra qualità/costo.

Classificazioni:

• E-glass ➔ modulo elastico alto
• S-glass ➔ elevata resistenza mec.
• C-glass ➔ elevata resist. chimica
• M-glass ➔ E più elevato
• D-glass ➔ alcune caratt. elettriche
• L-glass ➔ povera, resistenti le radiazioni

Svantaggi:

• Hanno elevata durezza da cui dipendono grossa usura degli stampi che vengono usati per la realizzazione del composito.
• Elevati abrasione si consumano l'uno con l'altro, per questo motivo le fibre devono essere rivestite attraverso un processo di sizing.

Prodotte tirando una massa di vetro fuso in crociolo di platino e tagliato attraverso orifiz.

Possono subire trattamenti per migliorare compatibilità fibra-matrice o trattamento preventivi come il sizing (rivestimento fibre x renderle meno abrasive).

Laminati Compositi

Sovrapposizione di strati di fibre orientati di un certo angolo.

Ogni strato ha una disposizione tridimensionale.

Per capire come è stato realizzato il laminato si utilizza una nomenclatura (Jones) dove viene rappresentato l'angolo con il quale è stata disposta la fibra rispetto un riferimento convenzionale che spesso è l'asse del pezzo.

La sequenza dipende anche dal numero di strati del laminato.

La lunghezza delle parentesi quadre rappresenta l'angolo di orientazione delle fibre, mentre i pedici indicano simmetrie e ripetizioni nell'ordine di disposizione.

[0/45/90/45/0]

^Simmetrico

Pedici: numero di ripetizioni di una combinazione

S. = simmetria

+ = numero totale (senza simmetrie/ripetizioni)

Architettura Lineare

Si ottiene orientando le fibre uniche nella stessa direzione.

Utilizzata per le resistenze di:

1. Laminati Unidirezionali

• Sovrapposizione di fibre orientate nella stessa direzione
• Utilizzando N strati a 0° → [0]_N

Hanno poche applicazioni pratiche perché hanno ottime proprietà soltanto lungo la direzione di orientazione delle fibre (unica direzione).

2. Laminati Angle - Ply

• Ottenuti sovrapponendo laminati con direzione delle fibre per ogni strato con un angolo opposto.
• Risiste più facilmente a sollecitazioni di segni opposti.
• Esempio: [-45/45/-45/45] oppure [+45]_S2

3. Laminati Cross - Ply

• Laminati sovrapposti con orientazione [0/90]_N

4. Laminati Simmetrici

Disposti in maniera simmetrica rispetto ad un piano.

Tecnologie di Formatura dei PAI

Processi di formatura caratterizzati da deposizione di composto su uno stampo che rappresenta il negativo della parte da realizzare eseguita da un processo di consolidamento.

Processi additivi che possono essere:

• Lay-up (sovrapposizione di lamine)
• Spray-up (deposizione e spruzzo di fibre corte)

Processi di Lay-Up

Suddivisi in:

1. Tecnologie a Stampo Aperto

   Sfrutto uno stampo femmina sul quale vengono stratificati delle lamine di unitità composito.

   In questa categoria rientrano:

   • Laminazione manuale
   • Formatura in sacco
   • Filament winding
   • Automated tape laying (ATL) e autom. fiber placement (AFP)

2. Tecnologie a Stampo Chiuso

   Non usano solo lo stampo femmina ma sfruttano anche uno stampo maschio dell'interno del quale viene effettuato il processo di laminazione e consolidamento.

   In questa categoria rientrano:

   • Resin transfer moulding (RTM)
   • Resin infusion under flexible tool (RIFT)
   • Pultrusione

Processi di Spray-Up

Deposizione a spruzzo sullo stampo di fibre discontinue insieme alla resina utilizzando un operatore dispoositivo.

Dato depositato, compattato mediante rullatura.

Ha minori caratteristiche meccaniche rispetto al process lay-up a causa delle fibre discontinue.