Razionalità. composita

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1 Razionalità composita al seatec 2008 Si è svolto, nell ambito della 6 a edizione del Seatec, rassegna internazionale dedicata alle tecnologie e alla subfornitura nautica, il tradizionale appuntamento con gli approfondimenti seminariali e le dimostrazioni applicative curate da Assocompositi in collaborazione con il Master in Yacht Design del Politecnico di Milano. Il tema trattato ha riguardato le possibilità di razionalizzazione del processo produttivo di una imbarcazione. Sono ormai diversi anni che il settore nautico registra fattori di sviluppo progressivamente crescenti. Crescono i fatturati, il numero di cantieri, le attività di formazione dedicate, le manifestazioni fieristiche e le riviste di settore. Crescono parallelamente anche le opportunità di finanziamento per favorire lo sviluppo e l introduzione di innovazione. L industria di materie prime, semilavorati e componenti in questi anni non è stata certo a guardare e lo stesso ha fatto il mondo della ricerca scientifica proponendo, assieme, tecnologie e soluzioni in grado di aiutare la cantieristica a muoversi in questa 38 Compositi direzione. Tuttavia, confrontando le potenzialità di innovazione di processo oggi a disposizione e lo standard mediamente adottato da chi produce imbarcazioni, ci si accorge che il divario tra ciò che viene fatto e quanto si potrebbe fare è ancora molto ampio. Ecco allora che l obiettivo perseguito in questa occasione di approfondimento tecnico e di aggiornamento professionale rivolto all industria nautica, è stato quello di indagare quali potessero essere i materiali e le tecnologie in grado di supportare in modo significativo le attività di progettazione e produzione di imbarcazioni, nella prospettiva di ottenere vantaggi in termini di efficienza produttiva, sicurezza d uso oltre che in fase di produzione, riduzione di impatto ambientale dei processi e/o dei prodotti, incremento prestazionale dei manufatti realizzati o, ancora, opportunità di conseguire economie di tipo diretto o indiretto. Il programma, come sempre articolato sulle tre giornate previste dalla manifestazione fieristica, ha voluto proporre una simulazione di processo produttivo completo, partendo dall acquisizione della matematica di una superficie esistente o allo sviluppo progettuale di nuove geometrie fino ad arrivare al prodotto finito. L attività, coordinata dal Politecnico di Milano con il supporto tecnico e operativo del Cantiere Nautivela, è stata realizzata grazie all intervento di un pool di aziende associate ad Assocompositi che hanno messo a disposizione, ciascuna nei rispettivi campi di applicazione, know how specifico, materiali e tecnici per sviluppare su un manufatto di piccole dimensioni un processo completo di produzione fortemente razionalizzato. LA DEFINIZIONE PROGETTUALE DELLE GEOMETRIE Il tema scelto si è rivelato essere in primo luogo un ottima occasione per lo svolgimento di una esercitazione didattico-applicativa nella quale due giovani del Politecnico di Milano provenienti dal corso di laurea in Disegno Industriale (Matteo Costa) e da quello di Design navale e nautico (Luca Ardizio) hanno sviluppato il progetto di una piccola deriva per bambini che si prestasse dal punto di vista dimensionale a scopi formativo-dimostrativi, ma al tempo stesso costituisse un valido esercizio per sperimentare forme, ergonomia e tecnica realizzativa di un nuovo prototipo di imbarcazione. Nonostante le dimensioni contenute del manufatto, le caratteristiche geometriche e il piano di laminazione sviluppate sono state studiate anche in funzione della loro trasferibilità diretta ad altra scala e quindi con una intrinseca significatività dal punto di vista esemplificativo. Nei mesi che hanno preceduto l evento fieristico, e una volta definite le superfici dell oggetto, si è quindi proceduto alla realizzazione delle fasi necessarie alla realizzazione degli stampi.

2 Prof. Andrea Ratti Politecnico di Milano - Dipartimento InDaCo >> Applicazione velo sul modello della coperta LO SVILUPPO DEI PERCORSI UTENSILE Il primo intervento è stato curato e supportato da Delcam Italia che si è fatta carico di tradurre le matematiche di superficie in percorsi utensile per la successiva fase di fresatura dei modelli. In tale operazione, al di là delle verifiche di tipo geometrico e dei controlli che possono essere effettuati sul pezzo in termini di congruenza e qualità delle superfici, controllo degli avviamenti, dei raggi di curvatura e degli angoli di sformo, vengono studiati tutti i percorsi macchina in modo da ottimizzare, sia in termini di tempo che di accuratezza dell esito finale, la sequenza di fresatura in funzione del risultato atteso a livello di qualità superficiale, particolarità delle lavorazioni richieste, numero e tipo di utensili da utilizzare. L APPLICAZIONE DELLE PASTE Il passaggio successivo è stato costituito dall applicazione sulle sagome in polistirolo, opportunamente fresate al di sotto della quota del finito, di pasta per modelli. Tale operazione è stata svolta con il supporto tecnico e operativo di Huntsmann e Mascherpa optando per l utilizzo di una pasta epossidica data la combinazione di prestazioni che tali prodotti sono in grado di offrire in termini di compattezza e resistenza meccanica da un lato abbinate a facilità di fresatura e qualità di superficie ottenibile, ma anche di assenza di ritiro e stabilità dimensionale. In tale fase, il fattore fondamentale da controllare riguarda la cura con la quale la pasta viene estrusa sulla sagoma rispettando in particolare le quote previste di sormonto sui passaggi successivi in modo da evitare la formazione, l inclusione di aria o la mancanza di materiale che il successivo passaggio della fresa trasformerebbe in difetti superficiali o in differenze di spessore nella sezione della pasta. LA FRESATURA DEI MODELLI Ultimata l applicazione della pasta e atteso l opportuno periodo di catalisi del prodotto, i modelli sono passati nelle mani della CMS che ha effettuato mediante fresa a controllo numerico a cinque ass, la sgrossatura dei modelli e i passaggi di finitura superficiale con un accuratezza nell ordine del centesimo di millimetro. In tale fase è stata verificata inoltre l efficacia dei percorsi utensile precedentemente studiati e individuato il modo più efficace per risolvere i dettagli del pezzo. Anche in questo caso la quota di fresatura deve considerare le tolleranze necessarie ad accogliere gli eventuali ulteriori strati di finitura o lavorazioni superficiali. LA PREPARAZIONE FINALE DEI MODELLI Nel caso specifico, con l obiettivo di elevare ulteriormente il gloss superficiale dei modelli realizzati, si è proceduto con l applicazione di un top coat costituito da prodotto poliuretanico a spruzzo, previo trattamento meccanico di preparazione della superficie. Prima di tale intervento, che è stato curato da Naag Italia, i modelli hanno subito un trattamento di stabilizzazione mediante processo termico di post cura. Tale operazione ha permesso di garantire l assenza di movimenti o l innesco di tensioni durante il successivo utilizzo dei modelli per la realizzazione degli stampi. A B Preparazione del fondo dei modelli Finitura dei modelli mediante applicazione di topcoat poliuretanico (coperta: foto A; scafo: foto B) Compositi 39

3 Razionalità composita >> Applicazione gelcoat epossidico sul modello della coperta Infusione dello stampo della coperta Infusione dello stampo dello scafo LA REALIZZAZIONE DEGLI STAMPI Per la realizzazione degli stampi la soluzione scelta è stata quella di adottare un processo di infusione utilizzando un ciclo epossidico e più strati di un unico materiale di rinforzo. Per quanto riguarda il ciclo epossidico (gelcoat e resina) l operazione è stata supportata sempre da Huntsmann/Mascherpa, mentre per quanto riguarda il materiale di rinforzo sono stati utilizzati cinque strati di Uniconform di OCV Reinforcements per una grammatura complessiva di 4500 gr/mq. Tale soluzione si è rivelata particolarmente interessante per l applicazione in oggetto sia in termini di velocità esecutiva che di prestazioni meccaniche ottenute. Si tenga presente per esempio che la fase di vestizione degli stampi, soprattutto grazie alla facilità di adattamento del rinforzo alle forme del modello, ha richiesto circa mezz ora di lavoro con due operatori coinvolti. A questi tempi sono stati poi aggiunti circa 90 minuti per la realizzazione del network di infusione e la sigillatura del sacco. Non considerando quindi i tempi richiesti per la gelcottatura e la realizzazione dello skin coat, ciò significa che nell arco di una giornata è Realizzazione dello skin coat per la realizzazione degli stampi stato possibile completare la realizzazione di entrambi gli stampi. Una ulteriore giornata si è resa necessaria per l applicazione del gelcoat epossidico e per l esecuzione di una prima stratifica di skin coat a impregnazione manuale costituita da uno strato di velo e da un tessuto a bassa grammatura. Tale fase costituisce forse l aspetto più delicato dell intera operazione dal momento che da questa dipende, in buona misura, il risultato in termini di qualità superficiale e di durabilità del manufatto ottenuto. Applicazione del distaccante semipermanente sul modello della coperta 40 Compositi

4 Visualizzazione del posizionamento del PVC mediante allineamento laser IL CICLO DISTACCANTE Sia la preparazione dei modelli che quella degli stampi è stata effettuata adottando un ciclo della Chemtrend con il supporto tecnico e operativo messo a disposizione da Univar. Il ciclo, costituito da tre fasi complessive, ha richiesto l effettuazione di un primo trattamento con un pulitore che ha la funzione di eliminare eventuali tracce grasse residue e di preparare chimicamente la superficie per ricevere i successivi trattamenti. L operazione intermedia, da reiterare più volte a seconda dello stato della superficie di partenza, consiste nell applicazione di un sealer che ha la funzione appunto di sigillare qualsiasi microporosità eventualmente presente sulla superficie prima dell applicazione delle mani di un distaccante che completa il ciclo e che, in questo caso, è stato di tipo semi-permanente. L intera operazione risulta particolarmente semplice e rapida stante la consistenza liquida di tali prodotti che possono essere applicati manualmente con il semplice ausilio di un panno. Da tenere presente tuttavia che, per una perfetta efficacia del ciclo, risulta indispensabile rispettare i tempi di asciugatura tra l applicazione delle successive mani dei prodotti. LA FASE DIMOSTRATIVA DI PROCESSI RAZIONALIZZATI Completate presso il cantiere Nautivela le fasi descritte che, per ovvi motivi, non avrebbero potuto essere svolte a titolo dimostrativo in fiera, tutte le suc- Creating the right flow with Enka Channel Enka Fusion Enka Spacer Stuoie per la diffusione della resina, nastri di distribuzione della resina e spacers per processi di infusione sottovuoto, RTM e VARTM spa divisione applicazioni industriali via torino, trieste italia tel fax info@harpo-group.com

5 Razionalità composita >> Fase di vestizione dello scafo con posizionamento dei tessuti pre-tagliati a controllo numerico cessive attività e integrazione di tecniche sono divenute invece oggetto del workshop dimostrativo condotto durante le giornate del Seatec, riuscendo a replicare, nell arco dei tre giorni, l intero ciclo per due volte. Per quanto riguarda le dimostrazioni di processo sono state condotte sessioni relative a due tecnologie di lavorazione in stampo chiuso costituite dall infusione e dall RTM-Light. Sono state in particolare tali dimostrazioni a offrire l occasione per mostrare le possibilità di integrare nel processo produttivo una serie di tecnologie in grado di elevarne il livello di razionalizzazione, di sicurezza e di efficienza. Anche per quanto riguarda i materiali di rinforzo utilizzati nella laminazione sia dello scafo che della coperta sono stati utilizzati materiali forniti da OCV Reinforcements. Sono stati utilizzati in particolare dei tessuti biassiali da 300 gr/mq, caratterizzati da spiccate proprietà di bagnabilità molto importanti nelle lavorazioni in stampo chiuso e, nelle aree di single-skin previste dal piano di laminazione, è stato interposto uno strato Unifilo con funzione di incremento dell inerzia, partecipazione al trasferimento della resina e collaborazione con i tessuti nel contrastare fenomeni di delaminazione. Nelle aree dove il piano di laminazione prevedeva una struttura sandwich è stato utilizzato invece un PVC espanso fornito da Leda opportunamente preparato in kit con pannelli pretagliati, smussati sui bordi, con predisposizione di recessi e scassi e con le lavorazioni passanti e di superficie per consentire il passaggio della resina attraverso il materiale e per svolgere la funzione di trasporto superficiale della stessa in modo da consentire una omogenea impregnazione dei tessuti. In analogia a quanto fatto per il PVC, la stessa operazione è stata effettuata per i rinforzi che, grazie al supporto fornito da Lectra, sono stati pretagliati a controllo numerico in modo da mettere a disposizione dei kit dotati di sistema di identificazione delle singole pezze per guidare le fasi di vestizione degli stampi. L operazione di pretaglio dei tessuti permette inoltre di studiare mediante il software di supporto i punti dove i tessuti risultano maggiormente sollecitati ed è quindi possibile definire a priori le zone dove è opportuno intervenire con una premodellazione del tessuto, con intagli nelle zone di esubero di materiale tec. L operazione di posizionamento nello stampo dei tessuti e di tutti gli altri materiali previsti dal piano di laminazione è stata ulteriormente supportata da un sistema di proiezione laser fornito da Virtek che, in relazione alla fase di lavorazione prevista, proiettava all interno dello stampo guide luminose di riferimento estremamente utili agli operatori per posizionare correttamente tessuti, materiali di rinforzo locale, i materiali d anima o allineamenti verticali per il posizionamento e/o fissaggio di parti strutturali. Sempre all interno dello stampo era possibile proiettare inoltre scritte e riferimenti che richiamassero la codifica riportata sui kit di materiali utilizzati che, nel caso in questione poteva sembrare ridondante stante l esiguo numero di pezzi previsti, ma altrettanto evidente risultava essere invece il valore che tale ausilio può avere nel monitorare e garantire la costanza di qualità produttiva nell industrializzazione di processo produttivo di manufatti a maggiore complessità e scala dimensionale. In ogni caso, nella realizzazione della coperta l elenco di riferimenti guidati riportava per esempio, indicazioni utili a posizionare correttamente e con precisione tutte le piastrine di rinforzo necessarie per l ancoraggio dell attrezza- Compositi 43

6 Razionalità composita >> Lucidatura dei modelli con pasta lucidante Vestizione dei modelli con Uniconform per la realizzazione degli stampi in infusione Network di infusione dello stampo della coperta tura di coperta. Nello scafo venivano invece proiettati gli allineamenti per posizionare il PVC sul fondo dello scafo o il rinforzo del piede d albero. Per quanto riguarda i rinforzi, in entrambi i casi si è fatto ricorso a un sistema di piastre in vetro pressato fornite da Filp anch esse opportunamente sagomate su misura fuori opera e dotate di una griglia di foratura per favorire il passaggio della resina durante il processo di infusione. Il ricorso a tale soluzione ha permesso di ottenere al termine del processo di infusione dei pezzi completi già pronti per l assemblaggio. Per quanto riguarda la realizzazione del network di infusione anche in questa occasione il supporto tecnico e operativo è stato affidato ad Airtech che ha curato la definizione del layout più consono alle caratteristiche dei pezzi da infondere e dei dettagli nei confronti dei quali è necessario prestare attenzione per ottenere un risultato qualitativo corrispondente alle aspettative. Stante le contenute dimensioni degli stampi, la scelta è stata quella di operare con una linea centrale di infusione realizzata con un canale siliconico che, oltre a offrire il vantaggio di essere riutilizzabile, garantisce assenza di effetti di marcatura superficiale e rende estremamente semplice la sua rimozione e quella dei residui di resina al termine del processo. Al di sotto del canale una rete di distribuzione, anch essa pretagliata da Lectra, ha permesso una distribuzione regolare ed omogenea della resina e della pressione esercitata dal sacco. La depressione al di sotto di quest ultimo è stata ottenuta invece attraverso la realizzazione di una linea del vuoto perimetrale attraverso l impiego di un agugliato sintetico tridimensionale, anch esso estremamente semplice da posizionare oltre che da rimuovere a lavoro ultimato. Come sempre sulla linea del vuoto è stato previsto l inserimento di un sifone refrigerato che permette di intercettare le emissioni di stirene dalla resina, mostrando operativamente come l adozione di tecniche in stampo chiuso abbinata a piccoli accorgimenti permetta di trasformare la produzione di una imbarcazione in un processo totalmente pulito e privo di effetti indotti sugli operatori. Tra questi accorgimenti ovviamente tutt altro che di secondaria importanza risulta essere la scelta della resina da utilizzare, sia rispetto alla qualità del risultato finale in termini qualitativi e prestazionali, sia relativamente alle questioni ambientali. In questo caso la scelta è stata quella di adottare una resina vinilestere per infusione, formulata da Polynt, caratterizzata da un basso contenuto di stirene, da ritiri estremamente controllati e da buone prestazioni meccaniche. Tale abbinamento di caratteristiche ha permesso di ottenere per i pezzi realizzati, il comportamento meccanico atteso e l assenza di fenomeni di ritiro e, conseguentemente, una buona qualità superficiale con assenza di marcature. In questa direzione, un ulteriore accorgimento ha riguardato l adozione di un ciclo di gelcottatura iso-neopentilico, curato da Leda, che ha previsto l applicazione di uno strato di barrier-coat con funzione di collaborazione con i successivi strati di skin coat nel contenere le eventuali tensioni trasferite dal laminato alla superficie del materiale. Il risultato ottenuto è stato pertanto non solo qualitativamente elevato, non solo dal punto di vista meccanico, ma anche sotto il profilo estetico. L ultima opera- 44 Compositi

7 Posizionamento del PVC da infusione nello stampo zione effettuata a livello dimostrativo ha riguardato l incollaggio dei pezzi realizzati mediante un intervento supportato da Naag Italia ed effettuato facendo ricorso a un prodotto a base acrilica che ha permesso di completare l intero processo di incollaggio scafo-coperta in circa 15 minuti, compresi i tempi di preparazione delle superfici, e di estrarre poi il pezzo finito a distanza di un ora circa dall ultimazione dell incollaggio stesso. Il workshop è stato completato da due ulteriori presentazioni di tecnologie in grado di supportare la transizione verso processi razionalizzati. Il primo, curato dal Laboratorio di Reverse Modeling del Politecnico di Milano ha riguardato le tecniche di acquisizione digitale delle matematiche di una superficie attraverso la lettura di una serie di casi studio e mostrando come siano ormai molteplici le tecniche alle quali sia possibile fare riferimento per questo tipo di operazioni che possono essere quindi calibrate in funzione delle specifiche esigenze. A tale riguardo è stata portata per esempio l esperienza, condotta in un recente studio, di adozione di una tecnica fotogrammetrica per il rilievo delle superfici che semplifica enormemente la fase di acquisizione dal momento che può essere effettuata utilizzando una comune macchina digitale. Il risultato ottenuto permette di disporre delle matematiche del pezzo in questione, sulle quali intervenire progettualmente, oppure effettuare verifiche geometriche, di scostamento dalle superfici originarie o di Razionalità composita qualsiasi altro tipo importando le superfici acquisite nel proprio ambiente software di lavoro. Ultimo contributo, curato dal Cetma di Brindisi, ha riguardato infine le possibilità di adozione di test non distruttivi, di monitorare le caratteristiche dei manufatti realizzati sia al termine del processo produttivo, sia in fase di realizzazione. Accanto alle diverse tecniche alle quali è possibile fare riferimento per questo tipo di operazioni (magnetoscopia, correnti indotte, raggi x, ultrasuoni, emissione acustica) sono state approfondite in particolare le possibilità offerte, in termini di precisione e semplicità d uso, dai sistemi basati su termografia a raggi infrarossi che possono essere effettuate mediante il ricorso ad apposite telecamere che permettono di ottenere un risultato diagnostico praticamente in tempo reale e senza contatto con l oggetto analizzato. Risultano pertanto evidenti le molteplici opportunità applicative del sistema nell evidenziare il livello di continuità dei manufatti o, viceversa, la presenza di discontinuità, fessurazioni, cricche, presenza d acqua o perdite di altri liquidi, inclusioni di materiali eterogenei o di altri difetti che possano interessare il laminato e/o altre parti significative dell imbarcazione. Fase di vestizione dello scafo con posizionamento dei tessuti pre-tagliati a controllo numerico 46 Compositi