Per produrre i FRP (plastica fibrorinforzata) che soddisfi le specifiche di progettazione, le fibre dovrebbero essere distribuite uniformemente all’interno della matrice plastica e, nella maggior parte dei casi, tutte orientate nella stessa direzione. In questa sezione parliamo di diverse tecniche (pultrusione, avvolgimento di filamenti e processi di produzione di preimpregnati).
di Simonetta Pegorari
Pultrusione
La pultrusione viene utilizzata per la fabbricazione di componenti aventi lunghezze continue e una sezione trasversale costante (cioè aste, tubi, travi, ecc.). Con questa tecnica, i rovings o tow, di fibre continue, sono prima impregnati con resina termoindurente, poi passano attraverso una trafila d’acciaio che preforma il materiale e stabilisce anche il rapporto resina/fibra. Il materiale passa quindi attraverso uno stampo di polimerizzazione e lavorato per impartire la forma finale; anche questo stampo viene riscaldato per avviare la polimerizzazione della resina. Un dispositivo tira il materiale attraverso le trafile e determinando la velocità di produzione. La produzione di tubi e profilati cavi è resa possibile dall’utilizzo di mandrini o inserendo tubi cavi. I rinforzi principali sono in genere fibre di vetro, carbonio e aramidiche, normalmente aggiunte in percentuali comprese tra il 40 e il 70 vol%. Le resine comunemente usate sono poliestere, viniliche e epossidiche. La pultrusione è un processo continuo facilmente automatizzabile; i tassi di produzione sono relativamente alti, il che lo rende molto conveniente. Inoltre, un’ampia varietà di forme sono possibili e in realtà non esiste alcun limite pratico alla lunghezza dello prodotti che può essere manufatto.
Processi di produzione dei preimpregnati
Prepreg è il termine utilizzato nel settore dei compositi per indicare il rinforzo continuo in fibra preimpregnata con una resina polimerica solo parzialmente polimerizzata. Questo materiale viene consegnato sotto forma di nastro al produttore, e viene utilizzato direttamente sullo stampo senza aggiungere resina. È il tipo di materiale composito più utilizzato per applicazioni strutturali. Il processo di prepreg inizia allineando una serie di fasci di fibre continue avvolte su bobina, che vengono quindi inserite e pressate tra i fogli di rilascio e il supporto carta utilizzando rulli riscaldati, un processo chiamato “calandratura”. Il foglio di rilascio è rivestito con un leggero strato di resina poco viscosa che impregna completamente le fibre, la resina viene quindi spalmata su tutto il foglio con spessore e larghezza uniformi. Il prodotto finale è un nastro sottile costituito da fibre continue e allineate parzialmente polimerizzato. A temperature ambiente, la matrice termoindurente polimerizza, perciò il preimpregnato. deve essere conservato a basse temperature. Inoltre, il tempo di utilizzo a temperatura ambiente (o “out-time”) deve essere ridotto al minimo. Se maneggiati correttamente, i preimpregnati termoindurenti hanno una vita di almeno sei mesi (solitamente più lunga). Sono utilizzate sia resine termoplastiche che termoindurenti; carbonio, vetro e aramidiche sono i rinforzi più comuni. La produzione vera e propria inizia con la laminazione (il “lay-up”), ovvero la posa del nastro preimpregnato sullo stampo. Normalmente vengono laminati un certo numero di strati per fornire lo spessore desiderato. Il lay-up può essere unidirezionale, ma più spesso l’orientamento delle fibre viene alternato per produrre un laminato a strati incrociati o per gli angoli. La polimerizzazione finale viene eseguita con pressione e calore. Il lay-up può essere eseguito interamente a mano (hand lay-up), l’operatore taglia i tratti di nastro e poi li posiziona a mano. In alternativa, il prepreg può essere tagliato a macchina posato a mano. I tempi di produzione sono ridotti automatizzando il lay-up e altre procedure di produzione (ad esempio, avvolgimento del filamento, come discusso di seguito), eliminando virtualmente la necessità del lavoro manuale. Questi metodi automatizzati sono essenziali affinché molte applicazioni di materiali compositi siano economicamente vantaggiose.
Filament winding
Avvolgimento del filamento
L’avvolgimento del filamento è un processo mediante il quale le fibre di rinforzo continue vengono posizionate secondo uno schema predeterminato per formare una forma cava (solitamente cilindrica). Le fibre, sia come fili singoli che come stoppe, vengono prima passate in un bagno di resina e poi avvolte in continuo su un mandrino, normalmente in modo automatizzato.
Dopo che è stato applicato il numero appropriato di strati, la polimerizzazione avviene o in forno o a temperatura ambiente, dopodiché il mandrino viene rimosso. In alternativa, prepreg stretti e sottili (ovvero tow preg) 10 mm o meno di larghezza, possono essere avvolti in filamenti.
Sono possibili vari modelli di avvolgimento (circonferenziale, elicoidale e polare) per conferire le caratteristiche meccaniche desiderate. Le parti avvolte in filamenti hanno un valore molto elevato di rapporto resistenza/peso. Inoltre, è possibile un elevato grado di controllo sull’uniformità dell’avvolgimento.
Pannelli sandwich
I pannelli sandwich sono considerati una classe di compositi strutturali, progettati per essere leggeri con alta rigidità e resistenza.
Il pannello sandwich è costituito da due fogli esterni, o facce, separati da un nucleo (core) più spesso. I fogli esterni sono costituiti da materiale relativamente rigido e resistente: leghe di alluminio, plastica rinforzata con fibre, titanio, acciaio o compensato, e conferiscono elevata rigidità e resistenza alla struttura, devono essere in grado di resistere alle sollecitazioni di trazione e compressione risultanti dal carico. Il materiale del nucleo è leggero e normalmente ha un modulo basso di elasticità. Rientrano normalmente in tre categorie: schiume polimeriche rigide, legno, nido d’ape (lamine sottili che formano celle esagonali ad incastro, con assi orientati perpendicolari ai piani delle facce).
I pannelli sandwich sono utilizzati in molti settori industriali, dalle coperture alle pareti degli edifici, nell’industria aerospaziale, nell’industria nautica ecc.
Resin Transfer Moulding (RTM)
Il Resin Transfer Moulding (RTM) è una tecnologia di produzione di materiali compositi a stampo chiuso in cui la resina liquida, miscelata con iniziatori o indurenti, è iniettata o trasferita nella cavità tra stampo e controstampo in cui è stato sistemato precedentemente il rinforzo secco. Stampo e controstampo sono ammorsati per applicazione di una certa pressione e la cavità tra i due ha la forma del componente da produrre. I tipi di rinforzo possono essere posizionati nello stampo e “preformati” nell’appropriata stratificazione e forma, legati chimicamente o meccanicamente per mantenere una certa stabilità e posizionati nello stampo come unità singole o multiple. Si ha iniezione o trasferimento di resina a seconda se essa fluisce per l’applicazione di pressione o per aspirazione dovuta al v uoto nella cavità tra stampo econtrostampo. L’iniezione o il trasferimento di resina continuano fino a quando il rinforzo risulta tutto impregnato. Il composito rimane nello stampo durante la cura della resina ed è estratto solo dopo la completa polimerizzazione della matrice. Per quanto riguarda i prepreg termoplastici ,molta attenzione va fatta alla tecnica di realizzazione del preimpregnato più che alla modalità di conservazione o alla tipologia di matrice. Per questi materiali, infatti, contrariamente ai termoindurenti, si ha:
• assenza di problemi legati all’appiccicosità del materiale a temperatura ambiente
• assenza di problemi inerenti il tempo di stoccaggio
• assenza problemi dovuti a residui di solvente
• assenza del processo di cura e dei problemi di reattività connessi (la matrice
è già completamente polimerizzata).
Quindi il fattore fondamentale per i prepreg termoplastici,che influenza l’impregnazione delle fibre, le proprietà e la modalità con la quale si realizzerà poi il composito finale, è senza dubbio la processo di formatura del prepreg. Il RTM sta diventando una tecnologia comune e molto usata per la produzione di compositi fibro-rinforzati ad alte prestazioni. In molti casi rappresenta l’unica tecnica in grado di produrre strutture complesse altrimenti prodotte per hand lay-up. Pertanto, il RTM trova applicazione non solo nel settore aerospaziale ma anche in quello automobilistico.
Compression molding
La tecnica del compression molding per i compositi termoplastici è un processo di flusso-formazione in cui una lastra riscaldata in materiale composito è compressa fra il due semistampi per costringere la resina e le fibre di rinforzo a riempire le cavità. Questo è l’unico processo di fabbricazione per materiali termoplastici usato nell’industria per fare parti composite termoplastiche strutturali. Il processo èusato per fare raggi parabordo, cruscotti ed altre parti strutturali ed automobilistiche. I tessuti mat con fibre di vetro e resina termoplastica , sono i più utilizzati in questa tecnica. Un altro tipo di compression molding consiste nella tecnica di stampaggio a caldo in cui sono usati materiali termoplastici nella forma di prepeg o di hybrid yarns.Il processo consiste nell’utilizzare delle lamine di composito termoplastico preimpregnato, impilate e poste fra gli stampi, nel consolidare il materiale con l’applicazione di calore e pressione affinché si fonda la resina termoplastica ed impregni il rinforzo fibroso,dando così luogo al composito finale. I processi di fabbricazione dei materiali compositi non finiscono qui, degli altri processi di fabbricazione parleremo la prossima volta.
