Home »Materiali compositi: tecniche di laminazione

Nel precedente articolo della serie sui materiali compositi abbiamo definito le principali caratteristiche dei componenti di un materiale composito fibroso a matrice polimerica (CFRP). Approfondiamo ora il tema dei materiali compositi, analizzando le principali tecniche di laminazione adatte alla realizzazione di questi straordinari materiali.

In campo ingegneristico, gli aspetti legati alla realizzazione di un particolare giocano un ruolo di primo piano nella scelta e funzionalità del materiale da applicare. In primo luogo, definiscono i tempi di realizzazione di questi materiali compositi, le quantità realizzabili nonché il livello di esperienza e conoscenza richiesto al personale addetto alla realizzazione dei materiali. Influenzano le proprietà del pezzo risultante in termini di caratteristiche meccaniche, finitura superficiale e livello di dettaglio e, non ultimo, definiscono i costi dei materiali compositi.

Questi aspetti sono portati all'estremo, se si vuole, nel caso dei materiali compositi: l'esperienza maturata nella loro produzione, pur avendo fatto grandi passi avanti negli ultimi decenni, non è certo paragonabile a quella maturata nella lavorazione dei materiali metallici. Quindi, in primo luogo, questi materiali richiedono personale e macchinari altamente specializzati nella loro realizzazione.

Inoltre, per realizzare un pezzo in modo efficiente, è necessario che il processo venga svolto nel minor tempo e nei costi più brevi e che porti finalmente ad un prodotto compatto che minimizzi la presenza di giochi e tensioni residue che potrebbero comprometterne le prestazioni in termini strutturali . . In generale, le tecniche di laminazione di parti in polimeri rinforzati consistono in diverse fasi:

Fibre e matrici sono disponibili sul mercato in diverse forme, sia singolarmente che sotto forma di lamine. Le fibre sono generalmente disponibili singolarmente sotto forma di matasse o 'tessuti' in cui le fibre vengono preventivamente disposte secondo necessità (unidirezionali, intrecciate o mat-mat). Se necessario, vengono tenuti insieme mediante cuciture speciali. In questo caso l'unione con la matrice, miscelata in opportune dosi con un indurente, avverrà solo al momento della laminazione.

Un'altra soluzione ampiamente utilizzata è quella di rendere disponibili le fibre sotto forma di fogli preimpregnati con materiale resinoso (generalmente resina epossidica) che verrà successivamente utilizzato nel processo di laminazione come materiale costituente la matrice. A seconda della forma e delle dimensioni finali del preimpregnato possiamo distinguere:

È una tecnologia utilizzata principalmente per applicazioni che richiedono basse prestazioni come tubi o serbatoi in vetroresina. Il processo è totalmente automatico e prevede l'avvolgimento di fibre provenienti da un bagno di materiale polimerico (filament wrapping) o di strisce di fibre preimpregnate (wrapping) attorno ad uno stampo di varie sezioni. Quest'ultimo ruota attorno al proprio asse mentre il sistema di distribuzione delle fibre trasla nella sua direzione longitudinale.

Pertanto, dalla combinazione dei due moti, si crea un avvolgimento elicoidale che definirà, rispetto all'angolo di avvolgimento e al numero di sovrapposizioni, le proprietà del composito risultante. Una volta completata la deposizione dei materiali e il successivo indurimento della matrice, lo stampo viene rimosso

È una tecnologia che permette la produzione di pezzi pieni a sezione costante e con fibre unidirezionali parallele alla direzione di estrusione. Il processo avviene tirando l'armatura e costringendola a passare prima attraverso un bagno di resina e poi attraverso una filiera riscaldata all'interno della quale il composto fibra-matrice assume la sua forma definitiva, con possibilità di preformature intermedie tramite apposite guide e rulli.

La laminazione avviene manualmente utilizzando un unico stampo (maschio o femmina) in plastica rinforzata, legno o gesso. Un gelcoat viene posto sulla superficie dello stampo per rendere liscia la superficie esterna del pezzo finale e per proteggerlo dall'ambiente esterno. Il materiale di rinforzo (tessuti in fibra o preimpregnati) viene posizionato sopra il gelcoat e successivamente impregnato mediante applicazione manuale della resina tramite appositi pennelli o rulli, esercitando una pressione tale da distribuire uniformemente la resina ed eliminare eventuali bolle d'aria. .

È la tecnologia più versatile e semplice nella produzione di particolari di ogni forma e dimensione, ma comporta un costo enorme in termini di manodopera (altamente specializzata) e tempistiche, a fronte di uno standard qualitativo basso. Una variante della deposizione manuale è lo Spray-up, una tecnologia in cui la distribuzione di fibre e matrice avviene spruzzando contemporaneamente resina e fibre corte mediante un'apposita pistola.

Le tecniche di stampaggio del sacco a vuoto vengono implementate quando è richiesta un'alta percentuale di fibre nel composito. A tal fine è necessario migliorare la compattazione dei componenti in costruzione sfruttando l'azione del vuoto (Vacuum-Bag Forming) o della pressione (Pressure-Bag Forming).

Si tratta di due tecniche generalmente eseguite nella formatura dei preimpregnati. I rotoli di preimpregnati vengono tagliati in fogli a seconda delle necessità (forma, dimensione, orientamento delle fibre) mediante appositi strumenti o lavorazioni (taglio a getto d'acqua o laser) e successivamente stratificati direttamente sullo stampo o separatamente e quindi posizionati su di esso .

A questo punto del processo il laminato viene ricoperto da una membrana flessibile e, a seconda del metodo con cui viene imposta la pressione necessaria, si distingue in:

Queste tecnologie, a fronte di un elevato costo di impianto e di manodopera altamente specializzata, consentono di realizzare prodotti caratterizzati da elevate prestazioni (alto contenuto di fibre e bassa percentuale di difetti e porosità) e da buona flessibilità e complessità geometrica (deposizione manuale).

È una tecnologia particolarmente utilizzata nella formatura di prodotti preimpregnati SMC o BMC, che consente un'elevata produttività di componenti con elevate prestazioni ed eccellente finitura superficiale ad un costo di impianto molto elevato. Il processo di stampaggio a compressione consiste nelle seguenti fasi:

L'idea alla base delle tecniche di infusion moulding è quella di indurre la distribuzione della resina all'interno di una cavità avente la forma del particolare da realizzare e nella quale l'armatura a secco è stata preventivamente posizionata a seconda delle necessità. A seconda della metodologia con cui viene indotta la manipolazione della resina, possiamo distinguere le seguenti tecniche:

• Resin Transfer Moulding (RTM): la manipolazione della resina si ottiene per iniezione sotto pressione e/o mediante l'utilizzo del vuoto per aspirare la resina in uno stampo chiuso.

• Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM), l'infusione della resina si ottiene aspirandola nello stampo per induzione del vuoto a stampo aperto mediante un sacco a vuoto; Nel caso di preforme di grandi dimensioni (es. barche), vengono utilizzati più punti di ingresso e uscita per ridurre il percorso effettivo della resina.

• Infusione di film di resina (RFI), l'infusione in cavità avviene posizionando un film di resina solida adiacente all'armatura; il processo può essere effettuato sia in stampo aperto che in stampo chiuso e permette una migliore distribuzione della resina soprattutto per componenti di grandi dimensioni.

A cura di Vito Saldutto

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