Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali COMPOSITI PARTE 2 Prof

Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali COMPOSITI PARTE 2 Prof. Claudio Scarponi Ing. Carlo Andreotti

PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI: LAMINAZIONE Per laminazione si intende la deposizione di strati (lamine) di un materiale su uno stampo che conferisce la forma geometrica desiderata. La deposizione può essere manuale o automatica. Il materiale deposto può essere preimpregnato oppure si può impregnare direttamente sullo stampo. In ambito aerospaziale si impiega solo il preimpregnato. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 2

PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI: LAMINAZIONE Gli stampi possono essere “maschi” o “femmine”, oppure si può avere la combinazione dei due. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 3

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PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI: LAMINAZIONE La superficie a contatto con lo stampo ha una perfetta finitura superficiale. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 5

PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI: LAMINAZIONE Caratteristiche e requisiti per lo stampo: ¡ Di grande importanza è la scelta del materiale per lo stampo. Da tale scelta dipende il numero di particolari da produrre e le dimensioni finali del pezzo prodotto. ¡ Particolare attenzione va posta al coefficiente di dilatazione termica per il problema dei ritiri differenziali tra attrezzo e stratificato (i coefficienti di attrezzo e composito sono spesso molto diversi). ¡ Assenza di porosità. ¡ Inerzia termica. ¡ Il costo dello stampo varia molto al variare del materiale di cui è costituito. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 6

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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: DISPOSIZIONE SULLO STAMPO Il processo di fabbricazione di un laminato pieno può essere schematizzato nel modo seguente: ¡ Estrazione del rotolo di preimpregnato dal frigorifero. ¡ Attesa del raggiungimento della temperatura ambiente. ¡ Trasporto nella “clean room”, ambiente che prevede le seguenti regole: ¡ Controllo della temperatura e dell’umidità. ¡ Controllo della pulizia. ¡ Presenza di sovrapressione all’interno per impedire l’ingresso di aria non filtrata. ¡ Obbligo, per il personale, di indossare speciali tute e camici da lavoro e di toccare il materiale esclusivamente con mani guantate. ¡ Divieto di bere, mangiare e fumare. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 8

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: DISPOSIZIONE SULLO STAMPO ¡ Taglio delle tele sulle sagome. Le caratteristiche del taglio sono riportate di seguito: l l Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Deve essere effettuato secondo il ciclo di fabbricazione utilizzando le opportune attrezzature. Devono essere ridotti al minimo gli scarti. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 9

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: DISPOSIZIONE SULLO STAMPO l l l ¡ ¡ Si possono tagliare gli strati al momento della stratificazione (consigliabile per prove e prototipi), oppure tagliarli tutti secondo le dimensioni tratte dal disegno e posizionarli uno sull’altro con il separatore originale secondo la sequenza della successiva stratificazione. Il taglio può essere effettuato con coltelli taglienti o con forbici. Non si deve mai tagliare direttamente sugli strati già stratificati o sull’attrezzo. Applicazione di un agente distaccante sullo stampo. Stratificazione manuale delle tele pretagliate sullo stampo (le tele sono disposte rispettando l’ordine e la giusta angolazione delle fibre rispetto agli assi di riferimento del laminato, riprodotti sullo stampo). Compattazione mediante spatole e rulli in modo da evitare la formazione di sacche di aria, che resta intrappolata all’interno degli strati. Preparazione del sacco a vuoto. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 10

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: ESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO L’esecuzione del sacco a vuoto è una serie di operazioni preparatorie all’ingresso in autoclave dello stratificato fresco che consistono in: ¡ Applicazione di un agente distaccante per separare lo stratificato dall’attrezzo. ¡ Applicazione di uno strato pelabile (“peel ply”) nelle superfici da sottoporre ad ulteriori cicli di lavorazione (verniciatura, incollaggi, ecc. ). ¡ Applicazione di un foglio di Tedlar autoadesivo (“bondable Tedlar”): è un foglio di polivinilfluoruro, che si incolla allo stratificato durante il ciclo di polimerizzazione nelle parti interne, per protezione al posto della verniciatura. ¡ Applicazione di un film separatore Fep (“Fep parting film”) di materiale plastico, che si usa come separatore tra lo stratificato e il materiale del sacco. ¡ Applicazione di uno strato di materiale di ventilazione superficiale (“surface breather”): è un materiale sintetico molto poroso che ha lo scopo di favorire la circolazione dell’aria aspirata dalla pompa a vuoto e dei volatili che si sviluppano durante il ciclo di polimerizzazione. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 11

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: ESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO ¡ ¡ ¡ Applicazione di materiale di ventilazione perimetrale (“edge breather”): consiste in alcuni strati di tessuto di fibra di vetro a trama larga di almeno 1’’ di larghezza, che ha la stessa funzione del materiale di ventilazione superficiale. Applicazione di una contropiastra (“pressure plate”): si tratta di un sottile lamierino di alluminio (non sempre impiegato), che ha la funzione di conferire al particolare un’eccellente finitura superficiale. Applicazione di uno strato di materiale assorbente (“bleeder material”): è uno strato con funzioni di assorbimento della resina in eccesso. Applicazione del sacco, detto “vacuum bag”: è un film di materiale plastico (essenzialmente nylon), che copre tutti gli altri elementi citati; ad esso si applicano le prese per la pompa a vuoto e le termocoppie per il controllo della temperatura del pezzo. Applicazione di un sigillante per il sacco (“vacuum sealer-tape”): è un cordone sintetico che ha lo scopo di assicurare una tenuta ermetica fra il sacco e lo stampo. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 12

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: ESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO Una volta preparato il sacco si collega il pezzo alla pompa a vuoto e si crea una depressione di 0. 73 kg/cm 2, rilevata da sonde di misura. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 13

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: ESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 14

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE L’autoclave è un contenitore nel quale è possibile ottenere una pressione positiva (generalmente dell’ordine di 3 atm) e una sovratemperatura (in genere 350 °F). Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 15

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 16

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE Le fasi di un ciclo di polimerizzazione (“curing”) possono essere riassunte nei seguenti punti: ¡ Introduzione dell’insieme stampo-stratificato-sacco in autoclave e chiusura della stessa. ¡ Innalzamento della pressione fino a 20 psi. ¡ Eliminazione del vuoto nel sacco mediante collegamento con l’atmosfera esterna. ¡ Aumento della pressione fino al valore richiesto per il materiale dello stratificato (circa 50 psi). ¡ Riscaldamento lento e graduale fino alla temperatura di polimerizzazione. ¡ Mantenimento della temperatura per il tempo necessario alla polimerizzazione (circa 3 ore). ¡ Raffreddamento lento e graduale fino a 60÷ 70°C. ¡ Diminuzione della pressione di autoclave fino alla pressione atmosferica e apertura dell’autoclave. ¡ Estrazione dell’insieme dall’autoclave. ¡ Raffreddamento quasi a temperatura ambiente. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 17

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE ¡ Rottura del sacco e rimozione del composito, sotto cappa di aspirazione per motivi di sanità ambientale: l Necessità di mezzi di rimozione idonei per evitare il danneggiamento del composito. l Problema del “ritorno” (spring back): il modo di rimozione più semplice consiste nel porre ad una estremità del pezzo un blocchetto di plastica o di legno e nel picchiarvi sopra con un martelletto (poiché questo procedimento causa danni ai laminati più sottili, questi sono rinforzati, nell’area in eccesso dell’estremità, con strati aggiuntivi di preimpregnato). ¡ Operazioni di finitura. Ispezione e collaudo. ¡ Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 18

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO: CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE Tipico ciclo di cura: Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 19

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO Il flusso di resina, funzione della pressione applicata a parità di altre condizioni, può avvenire: ¡ Dai bordi del laminato. ¡ Dalle facce. Effetto della temperatura: ¡ Cinetica della reazione di cura: ¡ Velocità di reazione. ¡ Grado di reazione massimo. ¡ Viscosità. ¡ Degradazione della resina. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 20

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO Effetto del grado di cura: ¡ Incremento del peso molecolare ed evoluzione della viscosità (fino al gel point). ¡ Grado di reticolazione ed evoluzione del modulo (dopo il gel point). ¡ Sviluppo di calore. ¡ Resistenza ambientale. Effetto della viscosità: ¡ Impregnazione delle fibre. ¡ Consolidamento del laminato. ¡ Flusso di resina. ¡ Pressione ed energia per il flusso di resina. ¡ Allontanamento di aria e volatili. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 21

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH” Il pannello “sandwich” è una struttura costituita da un “core” (il nido d’ape o “honey-comb”) e da due piastre incollate mediante un adesivo strutturale. L’utilità di tale pannello è di conferire alla struttura un’elevata rigidezza flessionale e torsionale e un’alta resistenza al taglio. Espanso Adesivo Laminato Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 22

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH” Nella normale tecnica recente, il “core” di honeycomb è sostituito da schiume leggere e porose. Molte fasi relative alla fabbricazione delle strutture “sandwich” sono comuni a quanto descritto per i laminati pieni. Si parlerà della realizzazione di pannelli che subiscono un ciclo di polimerizzazione. Le fasi relative alla fabbricazione di un pannello “sandwich” sono: ¡ Taglio del “kit” di tele. ¡ Taglio dell’adesivo a film. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 23

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH” ¡ Preparazione del nido d’ape: lo strato di “honey-comb” va lavorato con mezzi meccanici (fresatura), in modo da ottenere i caratteristici smussi mostrati in figura. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 24

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH” ¡ ¡ ¡ Preparazione dello stampo. Stratificazione: in questo caso bisogna porre una particolare cura nel rivestire il nido d’ape con il preimpregnato. Sacco a vuoto. Cura in autoclave. Rimozione della parte. Finitura. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 25

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH” Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 26

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH” Esempi di configurazione delle celle di “honey-comb”: Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 27

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH” Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 28

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH” Esempi di pannelli “sandwich”: Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 29

PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH” Assi principali del nido d’ape: Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 30

FILAMENT WINDING Il “filament winding” è una tecnologia di avvolgimento di un filo intorno ad un corpo rotante detto mandrino, la cui forma determina la geometria del composito da realizzare. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 31

FILAMENT WINDING Per ottenere i migliori risultati durante la lavorazione di un manufatto da realizzare in composito, si devono prendere alcune precauzioni: ¡ Agenti di distacco. ¡ Copertura superficiale. ¡ Vuoto, pressione e temperatura. I fattori che concorrono alle caratteristiche geometriche e strutturali del manufatto, sono diversi, i più importanti sono elencati di seguito: ¡ Metodi di avvolgimento. ¡ Mandrino. ¡ Tipo di impregnazione. ¡ Polimerizzazione. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 32

FILAMENT WINDING Altro aspetto fondamentale è lo studio della traiettoria di avvolgimento, punto cruciale per la realizzazione di un buon manufatto. I principali tipi di avvolgimento sono: ¡ Polari, con angoli compresi tra 0° e 20°. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 33

FILAMENT WINDING ¡ Circonferenziali, con angoli di circa 90°. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 34

FILAMENT WINDING ¡ Elicoidali, con angoli compresi tra 20° e 85°. (t) v(t) Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 35

FILAMENT WINDING L’angolo di avvolgimento è fissato istantaneamente dal rapporto tra la velocità di rotazione del mandrino e la velocità di traslazione del carrello. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 36

FILAMENT WINDING Una distinzione tra le tecniche di avvolgimento può essere fatta in funzione del meccanismo di impregnazione delle fibre. Vengono utilizzate due metodologie: ¡ avvolgimento bagnato (wet winding). ¡ avvolgimento a secco (dry winding). Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 37

FILAMENT WINDING Caratteristiche dei mandrini: ¡ Devono resistere agli sforzi di compressione provocati dalle fibre durante l’avvolgimento e presentare un’elevata rigidezza assiale. ¡ Devono mantenere sufficienti proprietà meccaniche ad alta temperatura. ¡ Devono essere facilmente rimossi. Tipologie di mandrini: ¡ Mandrini fissi. ¡ Mandrini removibili. l Gonfiabili. l Collassabili. l In materiale fragile. l Fondente. l A superficie cilindrica. l A superficie conica. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 38

FILAMENT WINDING Per garantire una buona qualità del manufatto è importante effettuare una serie di controlli sulla resina. In particolare si deve: ¡ Controllare la composizione del bagno ed alimentare continuamente la vaschetta. ¡ Controllare la temperatura e l’umidità relativa del bagno. ¡ Isolare e trattare a parte la resina di recupero ottenuta dalla strizzatura e raschiatura delle fibre di rinforzo. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 39

FILAMENT WINDING Di grande importanza è il controllo del tiro del filo, che può essere realizzato con diversi sistemi: ¡ Si pone un freno sul cilindro ove è inserita la bobina di materiale da avvolgimento. ¡ Si utilizza un sistema meccanico in cui il filo passa attorno a due cilindri, fissati su una piattaforma che può ruotare rispetto ad un asse verticale. Il meccanismo è riportato nella seguente figura: ¡ Si utilizza un sistema idraulico che controlla il freno che agisce sul supporto delle bobine. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 40

FILAMENT WINDING: ESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT WINDING Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 41

FILAMENT WINDING: ESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT WINDING Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 42

FILAMENT WINDING: ESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT WINDING Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 43

DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI Alcune considerazioni sui “costi” in relazione alla scelta delle tecnologie: ¡ Il “costo” è un aspetto che riveste un’enorme importanza. ¡ E’ un aspetto comune a tutte le tecnologie. ¡ La bassa consistenza della domanda non consente una serializzazione, pertanto l’ammortamento diventa uno scoglio estremamente impervio per la riduzione dei prezzi. ¡ Costo dei materiali: l La fibra più economica è il vetro E. l Il costo del vetro S è circa il doppio. l Il costo del carbonio ad alta resistenza è circa 20 volte. l Il costo del carbonio ad alto modulo è circa 25 volte. l Il costo del Kevlar è circa 8 volte. l La differenza di costo tra le resine è più contenuta (oscilla tra il 30% e il 40%). Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 44

DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI ¡ Costi non ricorrenti: l Progetto strutturale. l Progetto e fabbricazione delle attrezzature specifiche. l Prove di sviluppo tecnologico relative a materiali, processi, controllo di processo e qualificazione delle strutture. l Costituiscono la parte più rilevante dei costi. ¡ Costi ricorrenti: l Costi di fabbricazione (ore di lavoro). l Costo dei materiali. l Energia impiegata. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 45

DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI Vantaggi della laminazione da preimpregnato: ¡ Ottima qualità del prodotto. ¡ Ottima riproducibilità delle caratteristiche. ¡ Basso peso (ottimizzazione degli spessori). ¡ Ottima finitura superficiale. ¡ Basso onere di progettazione. ¡ Utilizzo di impianti esistenti e di “know-how” consolidato. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 46

DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI Svantaggi della laminazione da preimpregnato: ¡ Elevato costo del materiale. ¡ Elevati costi di fabbricazione (manodopera). ¡ Elevati tempi di fabbricazione. ¡ Elevato numero di giunti strutturali. ¡ Forte presenza di vibrazioni (discontinuità e giunti). ¡ Elevata manutenzione. ¡ Scarsa ricaduta industriale (tecnologia già sviluppata). ¡ Elevato costo degli stampi. ¡ Rigidità della produzione (stampi). Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 47

DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI Vantaggi del “filament winding”: ¡ Basso costo del materiale. ¡ Struttura monolitica. ¡ Minimo numero di giunti strutturali. ¡ Bassi tempi di fabbricazione. ¡ Ottima ricaduta industriale. ¡ Facile diversificazione della produzione (mandrino e software). Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 48

DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI Svantaggi del “filament winding”: ¡ Scarsa finitura superficiale. ¡ Peggiore riproduzione della geometria. ¡ Elevato peso (spessori costanti nella sezione). ¡ Elevato costo dei mandrini. ¡ Maggiore onere di progettazione. ¡ Maggior numero di vuoti e di aria intrappolata. Materiale curato da: Ing. Carlo Andreotti Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali 49