Composites Manufacturing

Nel corso degli ultimi quattro decenni lo sfruttamento delle plastiche rinforzate con fibre (FRP) nelle strutture di ingegneria si è costantemente diversificato dalle attrezzature sportive e dalle auto da corsa ad alte prestazioni, agli elicotteri e più recentemente agli aerei commerciali. I materiali compositi sono essenzialmente una combinazione di due o più materiali dissimili che vengono utilizzati insieme per combinare le migliori proprietà o impartire un nuovo insieme di caratteristiche che nessuno dei materiali costituenti potrebbe raggiungere da solo. I compositi ingegneristici sono tipicamente costruiti da singoli strati che assumono la forma di fibre continue e diritte (ad es. carbonio, vetro, aramide ecc.) incorporato in una matrice polimerica ospite(ad es. fenolico, poliestere, epossidico ecc.), che sono laminati strato per strato per costruire il materiale/struttura finale.

In termini di produzione di compositi avanzati rinforzati con fibre, il singolo aspetto più importante da riconoscere è che il materiale e la struttura sono creati allo stesso tempo. Di conseguenza, eventuali difetti che vengono indotti durante il processo di produzione influenzano direttamente la resistenza e la rigidità del materiale e della struttura. Ogni piccolo dettaglio è importante.

Negli ultimi 40 anni sono stati sviluppati numerosi processi di produzione di compositi, tra cui: stampaggio a contatto, stampaggio a compressione, stampaggio a sacco a vuoto / autoclave, stampaggio rotazionale, stampaggio a trasferimento di resina (RTM), avvolgimento di nastri, avvolgimento di filamenti, pultrusione, stampaggio a vescica espandibile ecc. Tutti questi processi hanno diverse caratteristiche in comune; i rinforzi sono portati nella forma desiderata in uno strumento o stampo, resina e fibre sono riuniti possibilmente a temperatura e pressione elevate per curare la resina, e lo stampaggio spogliato dalla parte una volta che la resina ha curato. Le diverse tecniche di fabbricazione possono essere classificate come processi diretti(ad es. RTM, pultrusione, stampaggio a contatto) che utilizzano fibre separate e resina riunite nel punto di stampaggio o processi indiretti che utilizzano fibre pre-impregnate di resina(es. vacumm bag / autoclave stampaggio, stampaggio a compressione).

La selezione del processo di produzione avrà naturalmente un grande effetto sulla qualità, le proprietà meccaniche e il costo di fabbricazione del componente. Secondo Potter (1996) un processo ideale può essere definito come avente:

1. Alta produttività-tempi di ciclo brevi, basso contenuto di manodopera, ecc.
2. Minimo il costo dei materiali – valore basso aggiunto materiali, bassa materiale, stoccaggio e movimentazione costo
3. Massima flessibilità geometrica a forma di complessità e le dimensioni del componente
4. Massimo proprietà flessibilità gamma di matrici gamma di tipi di rinforzo, capacità di controllo e le proprietà meccaniche del sarto caratteristiche
5. Minimo di finitura requisiti – net-shape di produzione
6. Affidabile e di alta qualità di fabbricazione – bassi tassi di rifiuto, bassa variabilità etc.

Non esiste un processo di produzione in grado di soddisfare contemporaneamente tutti questi requisiti; soprattutto alcuni di questi requisiti possono escludersi a vicenda. Di seguito viene mostrato un confronto tra i 5 processi più comuni.

Confronto delle tecniche di produzione composite(1)

Stampaggio a contatto

Schema di stampaggio a contatto(1)

Questo è il processo di produzione più antico e primitivo, ma anche il più utilizzato in tutto il mondo. La resina per stampaggio a contatto viene applicata manualmente su un rinforzo a secco posto su una superficie dell’utensile e può essere paragonata alla carta da parati incollata con un pennello. L’utensile e il tessuto vengono quindi chiusi da un sacco a vuoto e l’aria sotto il sacchetto viene rimossa per curare il laminato sotto pressione atmosferica. Tuttavia, poiché la pressione applicata è relativamente bassa e la cura si verifica tipicamente a temperatura ambiente, la frazione di volume del rinforzo è limitata alla densità naturale dell’imballaggio. Inoltre, la qualità dipende totalmente dall’abilità della forza lavoro e, a causa della difficoltà di garantire in modo affidabile laminati di alta qualità, è quasi impossibile qualificare i componenti strutturali stampati a contatto per gli aerei commerciali. Infine, a causa della limitata pressione esterna il vuoto è difficile da controllare, il che ha un grande effetto sulla variabilità dello spessore dei laminati.

Nave rinforzata in plastica HMS Wilton(2)

D’altra parte il processo è altamente flessibile, ideale per la produzione una tantum e richiede un’infrastruttura minima. Mentre lo stampaggio a contatto è il processo di scelta per strutture molto grandi, la flessibilità geometrica è più limitata in termini di creazione di parti con dettagli fini, raggi d’angolo, ecc. Per questo motivo il processo è ampiamente utilizzato nella costruzione navale in fibra di vetro/resina poliestere e per alianti.

Vac. Borsa / Autoclave

Prepreg Layup per la cura in autoclave(1)

Nei compositi avanzati i processi in autoclave sono di gran lunga i più utilizzati e lo stampaggio in autoclave è il processo di scelta per l’industria aerospaziale. Questi processi utilizzano strati unidirezionali pre-impregnati o tessuti tessuti, che sono stati parzialmente induriti o beta-staged. Uno svantaggio è che pre-preg deve essere conservato in un congelatore per evitare che la resina si spenga. Gli strati multipli di prepreg sono disposti su una superficie dell’utensile con gli orientamenti predefiniti della fibra, per sviluppare lo spessore richiesto e poi sono coperti con un film del rilascio, un tessuto dello sfiato e un sacco a vuoto o un sacchetto di pressione del silicio. L’aria viene estratta dal sacchetto per creare un vuoto e lo strumento riscaldato a temperatura e pressione elevate per curare la resina. In linea di principio si eseguono più cicli di sformatura coprendo il laminato e applicando un vuoto dopo ogni 3-4 strati per rimuovere l’aria in eccesso tra gli strati. Questo riduce il fattore di massa e aiuta a prevenire delaminazioni tra strati e controlla la dimensione dello spessore. Cicli di sformatura regolari e sufficiente pressione idrostatica sul pezzo durante la polimerizzazione sono i due requisiti fondamentali per ottenere buone modanature. La produttività dello stampaggio in autoclave è generalmente piuttosto bassa poiché i cicli di lay-up, insaccamento e sformatura manuali richiedono tempo e lavoro significativi. Inoltre, le spese in conto capitale delle autoclavi sono enormi, il che limita il suo utilizzo a strutture più grandi dove queste spese sono giustificate. Poiché, pre-preg non è più in uno stato a basso valore aggiunto, anche i costi dei materiali sono più elevati.

Panino del favo con Pre-preg per la cura dell’autoclave (1)

La flessibilità geometrica sia nella forma che nelle dimensioni è migliore rispetto alla maggior parte dei processi. Recentemente è stato possibile fabbricare l’intero pavimento di un elicottero in un unico pezzo, cosa che non sarebbe possibile con un approccio metallico. Le modanature dell’autoclave sono usate spesso insieme con i centri del favo tali che le componenti molto leggere possono essere fabbricate. Questo è uno dei motivi per cui il predominio delle modanature in autoclave sembra molto probabile che continui nel prossimo futuro, almeno nell’ambiente aerospaziale.

Avvolgimento del filamento

Schema del processo di avvolgimento del filamento (1)

Nell’avvolgimento del filamento un traino di fibre viene fatto passare attraverso un bagno di resina e avvolto su un mandrino girevole attraversando longitudinalmente lungo l’asse del mandrino rotante. A meno che non si utilizzino rimorchiatori di fibre preimpregnati di cattivo gusto, il percorso seguito dal rimorchio deve seguire da vicino un percorso geodetico (percorsi di fibre che non causano lo slittamento delle fibre se tese). Qualsiasi semplice percorso elicoidale su un cilindro è definito come un percorso geodetico, ma una volta introdotta la curvatura in due direzioni (ad esempio un globo) il numero di percorsi possibili diventa molto limitato. Per questo motivo la flessibilità della proprietà è piuttosto limitata in modo tale che l’avvolgimento del filamento viene tipicamente utilizzato per la produzione di tubazioni, recipienti a pressione e motori a razzo. In particolare, i recipienti a pressione sono favorevoli all’avvolgimento del filamento poiché hanno due direzioni di stress chiaramente definite (il cerchio e le sollecitazioni longitudinali) che possono essere soddisfatte dalla direzione di avvolgimento.

Uno svantaggio dell’avvolgimento del filamento è che il mandrino è spesso racchiuso all’interno dell’avvolgimento. Se un rivestimento di metallo o polimero viene utilizzato come mandrino, può formare una parte permanente della struttura, ma è più comune che l’avvolgimento sia tagliato alle estremità per sformare la parte. La flessibilità geometrica è anche limitata dal dover avvolgere intorno a modanature circolari o prismatiche. Uno dei principali vantaggi è che il processo si presta all’automazione in modo tale che i tempi ciclo e i costi di manodopera possano essere mantenuti bassi con elevata affidabilità e qualità. Quest’ultimo aspetto è uno dei motivi per cui si sta cercando di ampliare i limiti geometrici del processo e le possibili applicazioni.

Stampaggio a Trasferimento di Resina (RTM)

schema del Processo di Stampaggio a Trasferimento di Resina (1)

RTM non può essere considerato come un unico processo, ma è meglio considerato come una “filosofia di produzione in cui la resina e fibre sono distanziate fino all’ultimo momento” (Potter, 1996). Tuttavia, tutte le variazioni di processo hanno le caratteristiche comuni di tenere le fibre unresinated all’interno di una cavità chiusa dell’utensile con una pressione differenziale applicata ad un rifornimento di resina tale che la resina permea nel rinforzo. Lo strumento può essere rigido o contenere elementi flessibili. La pressione di consolidamento sull’utensile viene applicata mediante pinze meccaniche, una pressa per utensili o l’uso del vuoto interno e definisce la frazione volumetrica ottenuta di fibra rispetto alla resina. RTM è stato utilizzato dal 1970 per costruire radomes così come pale del compressore aeroengine. Il driver principale dietro l’ulteriore sviluppo di processi RTM è quello di ideare metodi di fabbricazione in grado di superare i limiti di complessità geometrica imposti dalle modanature in autoclave. In termini di cicli di produttività i tempi sono inferiori rispetto alla maggior parte degli altri processi e nell’industria automobilistica piccoli componenti vengono fabbricati in pochi minuti.

Pannello automobilistico Prodotto tramite RTM

Un grande vantaggio di RTM è l’uso di materiali a basso valore aggiunto (fibre secche e resine a bassa viscosità) che non devono essere conservati nei congelatori, riducendo così i costi di materiale e movimentazione. I principali vantaggi di RTM tuttavia si trovano nella loro flessibilità geometrica e proprietà. RTM può essere utilizzato con panni cuciti UD, tessuti e tessuti 3D e l’iniezione di resina può essere variata per controllare la frazione di volume e quindi la rigidità e la resistenza del componente. Inoltre, piccoli componenti con dettagli molto fini sono realizzati su utensili metallici rigidi mentre componenti più grandi possono essere prodotti su stampi flessibili. Infine, con un processo strettamente controllato è possibile creare modanature a forma di rete con requisiti di finitura minimi. Tuttavia, tutto questo ha il costo di una tecnica di produzione leggermente più complicata. Al fine di garantire componenti di alta qualità, l’iniezione di resina e il flusso di resina devono essere strettamente controllati in modo tale che tutto il rinforzo sia ugualmente bagnato. Ciò richiede simulazioni fluidodinamiche abbastanza avanzate e test approfonditi per ottenere una forma dello stampo che consenta il flusso uniforme della resina in tutte le parti del componente.

Pultrusione

Schema del processo di pultrusione (1)

In questo processo le fibre vengono prelevate da un canestro e fatte passare attraverso un bagno di resina per impregnare le fibre con resina. Le fibre impregnate vengono quindi fatte passare attraverso un prefiltro per rimuovere l’eventuale resina in eccesso e preformare la forma finale approssimativa. Viene quindi inserito lo stampo di polimerizzazione, che prende la forma della sezione trasversale finale richiesta della parte pultrusa. Lo stampo di polimerizzazione applica calore al componente per consolidare la resina e il profilo sagomato curato viene estratto dallo stampo sotto tensione. Ciò significa che la produttività può essere molto elevata in una produzione in corso, ma diminuirà per volumi di produzione inferiori che richiedono modifiche a nuovi stampi di sezione trasversale. Poiché l’operazione è automatizzata i costi della manodopera sono bassi e l’affidabilità e la qualità dei componenti è elevata. Il processo è generalmente limitato a componenti a sezione trasversale costante, il che limita notevolmente le applicazioni. La pultrusione è stata utilizzata molto poco in ambienti aerospaziali, ma ha trovato applicazione nella produzione di travi di profilo standardizzate per strutture di ingegneria civile.

Processi automatizzati

L’uso della robotica nella produzione di compositi sta crescendo rapidamente ed è probabilmente la tecnologia più promettente per il futuro. I vantaggi evidenti dell’automazione del processo di produzione includono una ridotta variabilità delle dimensioni e meno difetti di fabbricazione. Inoltre, la materia prima può essere utilizzata in modo più efficiente e i costi di manodopera sono ridotti. Una classe promettente di sistema sono le cosiddette macchine automatizzate di posizionamento della fibra (AFP) che utilizzano una testa robotizzata di posizionamento della fibra che deposita più rimorchi pre-impregnati di “nastro a fessura” consentendo il taglio, il bloccaggio e il riavvio di ogni singolo rimorchio. Mentre la testa robotizzata segue un percorso specifico della fibra, i rimorchi vengono riscaldati poco prima della deposizione e quindi compattati sul substrato utilizzando un rullo speciale. Grazie all’elevata fedeltà della tecnologia robot attuale, le macchine AFP possono fornire un’elevata produttività e gestire geometrie complesse. Le applicazioni correnti comprendono la fabbricazione della fusoliera di Boeing 787 e l’avvolgimento delle scatole quadrate, che poi sono fendute longitudinalmente per fare due sezioni “di C” per i longheroni dell’ala. I sistemi di fabbricazione integrati come progettati dalle società come ElectroImpact offrono le capacità chiavi in mano emozionanti per le strutture future degli aerei. Questi sistemi combinano più processi di produzione, ad esempio il posizionamento delle fibre e la produzione additiva su una testa del robot, e quindi facilitano la produzione di strutture miste e integrate con meno giunti e connessioni. Questi sistemi consentiranno inoltre agli ingegneri di progettare strutture più efficienti, come pannelli compositi ortogrid o isogrid integrati, che attualmente sono difficili da produrre economicamente su larga scala.

Fusoliera Boeing 787 a filamento avvolto (3)