CAP. 42 ATTREZZI DI FORMATURA E MATERIALI DI CONSUMO PER LE TECNOLOGIE DEI COMPOSITI

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1 CAPITOLO ATTREZZI DI FORMATURA E MATERIALI DI CONSUMO PER LE TECNOLOGIE DEI COMPOSITI Sinossi o sviluppo di un nuovo componente in composito L comporta tre fasi fondamentali: la progettazione del componente, la sua ingegnerizzazione e la progettazione degli attrezzi. Dalla prima di queste derivano i requisiti principali che guidano le altre due fasi che, viceversa, forniscono dei vincoli al progettista del componente. Si capisce quindi come a questo livello non possa che esserci una forte interconnessione e dipendenza reciproca. La progettazione di un attrezzo è in generale una fase complessa al pari della progettazione del componente che si intende realizzare attraverso di esso. Vi sono molteplici aspetti che vanno considerati: dalla complessità della forma del manufatto alla finitura superficiale richiesta, dalla numerosità della serie all efficienza termica fino ai fattori economici (costi/ciclo e di manutenzione). La tipologia e le caratteristiche principali degli attrezzi nonché il materiale di consumo richiesto per ogni ciclo produttivo dipendono fortemente dall applicazione in esame e, conseguentemente, dalla tecnologia che si intende utilizzare. Ad esempio, i pannelli di rivestimento alare, che debbono avere ottime proprietà meccaniche, ma che nel contempo richiedono necessariamente un elevato grado di finitura superficiale sul lato esterno, sono tipicamente realizzati in stampo aperto mediante formatura in autoclave. Diversamente, per un componente a sezione chiusa come i longheroni monocella delle pale di elicottero, si adotta uno stampo chiuso con mandrino interno. Stampi chiusi sono necessariamente utilizzati nelle tecnologie per infusione quale l RTM, mentre filament winding o pultrusione richiedono attrezzi completamente diversi. Rimandando ai rispettivi capitoli per ciò che concerne queste tecnologie, nel seguito l attenzione sarà posta principalmente sul processo di formatura in autoclave Progettazione e realizzazione degli attrezzi ella progettazione di uno stampo vi sono alcuni N aspetti di valenza generale che vanno sempre considerati. Il ritiro dimensionale Il primo di questi è sicuramente il ritiro dimensionale (shrinkage) del materiale composito. La riduzione del volume o delle dimensioni lineari che si manifesta durante il processo di reticolazione della resina dovuta alla contrazione termica del materiale influenza infatti la G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 1 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

2 geometria del componente finito. In fase di progetto è quindi fondamentale sovradimensionare opportunamente sia il prodotto che lo stampo associato allo stesso. Ciò che può essere fatto valutando preventivamente l entità di shrinkage di ciascun materiale. Il coefficiente di dilatazione termica del materiale dello stampo e del prodotto Ogni materiale espande e si contrae in misura diversa quando viene riscaldato e raffreddato. Il coefficiente di dilatazione termica o coefficiente di espansione termica (Coefficient of Thermal Expansion - CTE) è il parametro che quantifica l entità di queste variazioni dimensionali. Al fine di evitare la nascita di tensioni residue e imprecisioni dimensionali nel prodotto finale è opportuno che il CTE dello stampo e quello del prodotto siano quanto più simili possibile. E evidente che per un processo produttivo a temperatura ambiente tale aspetto possa essere trascurato. La rigidezza dello stampo In generale i processi di formatura dei compositi richiedono l applicazione di adeguati livelli di pressione che consentano la formatura del manufatto nonché la corretta compattazione degli elementi costituenti, siano essi le fibre e la resina di processi quali la pultrusione o l avvolgimento filamentare oppure le lamine di preimpregnato della formatura in autoclave. Gli attrezzi devono essere in grado di trasferire tali livelli di pressione senza deformarsi (al fine di evitare variazioni alla geometria finale del manufatto) e quindi devono essere sufficientemente rigidi. La finitura superficiale Il livello di finitura superficiale di un componente in composito dipende essenzialmente dalla finitura superficiale dell attrezzo di formatura utilizzato. Il livello di finitura richiesto influenza quindi direttamente anche la scelta relativa alla tipologia di stampo (aperto, chiuso, femmina, maschio), al tipo di materiale nonché alla relativa tecnologia di produzione dello stesso. Gli angoli di sformo La presenza degli angoli di sformo negli stampi rende più agevole la rimozione del prodotto, facilita il flusso di resina (garantendo una maggior ricchezza di resina) in prossimità delle superfici dello stesso e riduce l effetto di distorsioni dello stampo stesso in termini di deformazioni sul manufatto. Tipicamente per superfici verticali è raccomandato un angolo di sformo di 1. I raggi di curvatura Durante la progettazione di uno stampo è necessario evitare la presenza di spigoli vivi che comportano la nascita di difettosità nei manufatti, quali sacche di resina, bolle superficiali, e che ne possono rendere difficoltosa la sformatura. Tipicamente è sufficiente utilizzare raggi di curvatura di dimensioni superiori ad 1mm Le tecnologie di produzione degli attrezzi La maggior parte degli attrezzi di dimensioni medio piccole viene prodotta con tecnologie sottrattive per asportazione da truciolo a partire da monoblocchi di lega. Mandrini per il filament winding, trafile per la pultrusione e stampi per l RTM ad esempio sono realizzati tipicamente utilizzando questo processo. Attrezzi di grandi dimensioni o che presentano una sezione rilevante, quali gli stampi per elementi angolari oppure travi con profili a C o ad I, possono essere realizzati dall unione di più parti (precedentemente macchinate). Si parla in questo caso di stampi composti. Le superfici sono spesso trattate opportunamente per migliorare la finitura superficiale (dove possibile si eseguono processi di lappatura o cromatura). Per geometrie particolarmente complesse possono essere utilizzate tecnologie non convenzionali quali l elettroerosione. Un ulteriore tecnologia molto diffusa è l elettroformatura, utilizzata soprattutto nel caso si abbia la necessità di realizzare molteplici copie dello stesso stampo in virtù dei bassi costi di duplicazione. A questa tecnologia, che non ha vincoli dimensionali e consente di ottenere ottime finiture superficiali, è dedicato un paragrafo nel seguito del presente capitolo. Vi sono poi gli attrezzi realizzati con materiali differenti dalle leghe metalliche quali ad esempio stampi in composito, caul plates polimeriche oppure mandrini elastomerici. Anche ad essi, che hanno recentemente aumentato il loro impiego in virtù di una serie di peculiari caratteristiche e che sono realizzati a partire dalle tecnologie dei polimeri, è riservato uno dei prossimi paragrafi La scelta dei materiali La scelta del materiale con cui realizzare gli attrezzi dipende da molteplici fattori ed è un aspetto di cruciale importanza. Dalle proprietà del materiale dipendono infatti la maggior parte delle caratteristiche e proprietà possedute dallo stampo. In Tabella 42.1sono elencati i principali requisiti che si richiedono agli attrezzi. Normalmente stampi in composito possono essere utilizzati per la produzione di manufatti a base di resine con basse/medie temperature di polimerizzazione, quelli metallici per cicli da basse ad alte temperature, attrezzi monolitici di grafite o ceramici per cicli ad altissime temperature. Tradizionalmente, gli attrezzi per la formatura in autoclave sono generalmente realizzati in acciaio o lega d alluminio. Nei primi anni 80 vennero introdotti i primi stampi ottenuti per elettroformatura di Nichel e solo successivamente quelli in composito in fibra di carbonio con resina epossidica e resina bismaleimidica. Risalgono infine agli anni 90 le prime applicazioni di leghe ferro- G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 2 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

3 nichel a basso coefficiente di dilatazione termica più note col nome commerciale Invar e Nilo. L'acciaio ha ancora oggi il pregio di essere un materiale abbastanza economico e con un eccezionale durevolezza. È facilmente saldabile e può resistere ad oltre 1500 cicli di polimerizzazione in autoclave offrendo un ottima ripetibilità dei pezzi. Di contro, esso è pesante, ha un coefficiente di dilatazione termica maggiore rispetto a quello dei componenti in composito e, nel caso di attrezzi particolarmente massicci esibisce inerzie termiche rilevanti (con tempi ciclo particolarmente lunghi). La messa fuori servizio di uno stampo in acciaio dipende generalmente dal manifestarsi di cricche in zone di saldatura. In virtù della sua leggerezza e della sua elevata lavorabilità, l alluminio è spesso utilizzato per la realizzazione di stampi multipli. Essi sono costituiti da una serie di blocchi (ognuno con la forma di uno dei componenti da produrre) denominati form block fissati su un unica ampia base (vedi Figura 42.2). In questo modo è possibile polimerizzare più manufatti nello stesso ciclo ed all interno del medesimo sacco da vuoto riducendo notevolmente i costi. Tabella 42.1 Requisiti principali per gli attrezzi di formatura dei compositi. Stabilità alle temperature di utilizzo (177 C) Capacità di sopportare le pressioni di utilizzo (6-7bar) Elevata resistenza all usura Facilità di progettazione (disponibilità dei fattori correttivi per la compensazione dell espansione termica) Compatibilità con l impianto produttivo Finitura superficiale elevata della superficie di formatura Resistenza ai solventi di lavaggio Facilità di produzione Capacità di essere sottoposto a ratei di riscaldamento uniformi Leggerezza Facilità di applicazione di agenti distaccanti D'altra parte, la lega di alluminio è molto più leggera ed ha un coefficiente di conducibilità termica maggiore. Rispetto all'acciaio è più facile da lavorare alla macchina utensile mentre è più difficoltosa la produzione di componenti per pressofusione ed è meno saldabile. I due più grandi svantaggi delle leghe di alluminio sono infine la suscettibilità ai graffi ed alle ammaccature (essendo un materiale molto morbido) ed il coefficiente di dilatazione termica molto elevato (Figura 42.1). Figura 42.2 Esempio di stampo multiplo (form block). Un ulteriore applicazione è quella illustrata in Figura 42.3 in cui l attrezzo è composto da più parti separate ciascuna accoppiata ad un lato del componente in composito da polimerizzare. In questo caso si sfrutta l elevato CTE dell alluminio sia per ottenere un contributo alla fase di compattazione del laminato (in virtù della dilatazione del materiale durante il riscaldamento) sia per agevolare la sformatura del pezzo a fine reticolazione (grazie al ritiro volumetrico a seguito della fase di raffreddamento). Figura 42.3 Esempio di stampo composto. Figura 42.1 Coppia di stampi di lega leggera per la produzione delle skin di infradosso ed estradosso di una pala di rotore di elicottero. Il nichel per elettroformatura ha il vantaggio peculiare di poter essere formato in stampi a geometria particolarmente complessa senza richiedere spessori di parete elevati. Collegati a strutture di supporto tubolari, attrezzi siffatti esibiscono eccellenti ratei di riscaldamento. Di contro l operazione di elettroformatura richiede la realizzazione preliminare di un modello (master) della medesima geometria del componente da realizzare. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 3 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

4 Gli attrezzi in fibra di carbonio o fibra di vetro e resina epossidica (vedi Figura 42.4) richiedono anch essi un master o un mandrino su cui effettuare la laminazione delle pelli in fase di produzione. sull utilizzo del sacco da vuoto per l applicazione di una pressione differenziale sul laminato da polimerizzare. Figura 42.4 Esempio di stampo di composito grafite/epoxy. Uno dei più importanti vantaggi dell uso di pelli di composito per la realizzazione di stampi è la possibilità di ottenere il medesimo CTE dei manufatti che devono successivamente essere formati attraverso di essi. Tali attrezzi, inoltre, sono relativamente leggeri, hanno un inerzia termica contenuta e possono essere facilmente duplicati utilizzando il medesimo modello master. Una nota negativa è la tendenza a manifestare cricche nella matrice a seguito di cicli di polimerizzazione ad alte temperature (177 C). Un'ulteriore considerazione è la predisposizione dei compositi all assorbimento di umidità in presenza della quale possono manifestarsi delaminazioni interne o bolle superficiali durante l utilizzo dell attrezzo. Se non in uso continuo, può essere necessario, dopo stoccaggio prolungato, una lenta asciugatura in forno. Le leghe della serie Invar e Nilo sono state introdotte nei primi anni 1990 come risposta agli stampi in composito. Essendo leghe con basso coefficiente di dilatazione termica gli attrezzi sono in buon accoppiamento (dal punto di vista della risposta termica) con i componenti in composito da formare. I loro più grandi svantaggi sono il costo ed il peso che comporta una inerzia termica elevata. Il materiale stesso è molto costoso ed è più difficile da lavorare alla macchina utensile anche rispetto all acciaio. Esso può essere colato ed è facilmente saldabile; viene utilizzato per la produzione di attrezzi dedicati ad applicazioni in cui sono richiesti alti livelli di precisione come la produzione di pannelli di rivestimento alare (Figura 42.5) Gli attrezzi per la formatura in autoclave La formatura in autoclave (vedere capitolo 37) è un processo di formatura in stampo aperto basato Figura 42.5 Esempio di stampo di lega serie NILO. Come è ben noto, durante il ciclo lo stampo è assoggettato ad uno stato di pressione idrostatica che può raggiungere al più valori tipicamente compresi tra i 3bar e i 7 bar (per i compositi in resina termoindurente). In linea teorica un tale stato di sollecitazione non richiederebbe l utilizzo di stampi rigidi ed una semplice lamiera stampata avente la forma del pezzo da realizzare sarebbe sufficiente per conferire al manufatto la geometria desiderata. In realtà un certo grado di rigidezza è richiesto per garantire allo stampo la stabilità dimensionale che consenta l esecuzione di tutte le azioni che caratterizzano le fasi del ciclo tecnologico: ad esempio, le sollecitazioni esercitate sullo stampo durante la laminazione delle pelli, lo stato di depressione prodotto dal sacco da vuoto, le forze applicate durante la movimentazione tra le varie stazioni di lavoro nonché quelle indotte nella fase finale di sformatura. Questa considerazione induce pertanto all adozione, anche per la formatura in autoclave, di stampi più massicci progettati secondo i criteri di progetto convenzionali delle tecnologie di stampaggio. Ciò che significa porre attenzione alla risposta termica degli stessi che devono riscaldarsi e raffreddarsi in modo uniforme e senza richiedere tempi eccessivamente lunghi. Osservando i dati riportati in Tabella 42.2 si può notare infatti il netto incremento dei tempi di riscaldamento degli stampi in funzione del loro spessore. Questo effetto va in qualche modo contenuto e limitato in quanto oltre a comportare un aumento dei tempi/ciclo e quindi dei costi (anche per la maggiore difficoltà di movimentazione di attrezzi pesanti) può compromettere la qualità dei laminati prodotti. Si ricorda infatti che al fine di ottenere una compattazione ottimale i parametri di pressione e temperatura devono essere applicati G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 4 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

5 secondo i tempi e le modalità imposti dalle curve di viscosità della resina. Il progettista si trova pertanto a dover individuare spesso soluzioni di compromesso fra i requisiti di rigidezza e quelli funzionali legati al comportamento termico. Tabella 42.2 Caratteristiche termiche dei materiali tipicamente utilizzati per la realizzazione degli stampi. Materiale stampo Spessore stampo (mm) Tempo di riscaldamento da 25 C a 110 C (min.)* Alluminio Acciaio 6.4 Carbonio/Epoxy Alluminio Acciaio Carbonio/Epoxy Acciaio Alluminio collegamento meccanico. Il foglio di lamiera è tipicamente di lega di alluminio con spessore di 6,4mm oppure di acciaio con spessore di 4,75mm. Esso, che può essere preventivamente formato, ad esempio mediante un processo di piegatura, può essere costituito da più parti al fine di superare i limiti dimensionali imposti dal processo stesso di formatura. In tal caso le parti sono generalmente unite mediante saldatura. La presenza della base rigida, oltre a vincolare le centine, agevola la movimentazione dello stampo. Per geometrie particolarmente complesse, non ottenibili mediane stampaggio, è possibile realizzare la parte superiore dello stampo per elettroformatura oppure attraverso un processo di colata. In tal caso si produce contemporaneamente anche la struttura di supporto ottenendo un pezzo monolitico. Può essere prevista la scomposizione dello stampo in due o più parti al fine di evitare la presenza di sottosquadri e consentire la rimozione del manufatto a reticolazione ultimata come mostrato in Figura *Temperatura misurata sullo stampo a fronte di un ciclo di riscaldamento impostato nell impianto di 2 C/min. Un alternativa agli stampi macchinati, è quella di adottare stampi di lamiera opportunamente irrigiditi mediante una struttura esterna. La Figura 42.6 mostra lo stampo per la produzione di un pannello di rivestimento alare relativo al bordo d attacco progettato secondo questo schema. Figura 42.7 Stampo composto di due parti per consentire la rimozione del manufatto in presenza di sottosquadri. Figura 42.6 Stampo aperto del tipo eggcrate. Come si può notare il foglio di lamiera è mantenuto nella forma del profilo alare attraverso una serie di centine esterne fissate ad una base rigida. Una tale configurazione della sottostruttura si chiama struttura del tipo eggcrate. Le centine possono essere collegate alla lamiera mediante saldatura oppure con un In corrispondenza di scanalature o di altri particolari complessi è spesso preferibile realizzare tali lavorazioni di macchina su piccoli blocchi metallici che vengono successivamente fissati allo stampo (mediante saldatura, oppure più raramente per incollaggio). In questo modo si riescono ad ottenere precisioni elevate (potendo operare in condizioni ottimali) senza peraltro comportare un aggravio di peso eccessivo all attrezzo. L aggiunta di materiale è infatti in questo caso limitata alla zona ove è richiesta la scanalatura al contrario di ciò che accadrebbe se lo stampo fosse ottenuto esclusivamente per colata. In tal caso infatti la presenza di una rilevante, anche se locale, variazione del profilo in direzione dello spessore comporterebbe un significativo sovradimensionamento globale dello stesso. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 5 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

6 Negli stampi in configurazione eggcrate è importante porre particolare attenzione anche alla fase di progettazione della struttura di supporto e irrigidimento. Facendo riferimento allo stampo di Figura 42.6 ed assumendo che lo stesso sia posizionato longitudinalmente all interno dell autoclave (ovvero con la dimensione maggiore coincidente con l asse dell autoclave stessa), le centine di irrigidimento si trovano disposte ortogonalmente al flusso d aria impedendo un riscaldamento uniforme. Laddove non sia possibile praticare soluzioni differenti, ad esempio progettando le centine parallelamente al flusso, è possibile limitarne gli effetti predisponendo un pattern di foratura che agevoli il flusso d aria stesso. Al fine di limitare il peso dell attrezzo e favorire nel contempo il riscaldamento/raffreddamento dello stesso la struttura di supporto è generalmente una struttura a traliccio realizzata mediante tubi. Con elementi a sezione chiusa di questo tipo possono infatti essere facilmente ottenute strutture con elevati rapporti rigidezza/peso. Tali elementi devono tuttavia essere chiusi alle estremità onde evitare l instaurarsi di un flusso d aria calda all interno (nel caso di allineamento dell elemento con il flusso stesso) con conseguente sovra-riscaldamento localizzato dell attrezzo nonché possibili distorsioni al manufatto finale. Tipicamente deve essere utilizzato un materiale con comportamento meccanico e termico simile a quello della parte superiore al fine di evitare alla stessa distorsioni in fase di riscaldamento con conseguenti modificazioni di forma indotte al componente. A tale scopo è importante effettuare una progettazione termoelastica dell attrezzo che tenga conto dei coefficienti di espansione termica dei materiali impiegati e delle modalità di riscaldamento dell impianto. Ciò non preclude la possibilità di realizzare stampi come quello in Figura 42.8 in cui la struttura di supporto è in carbonio mentre lo stampo è ottenuto per deformazione plastica di un foglio di lega. In autoclave infatti il trasferimento di calore avviene per convezione tra la parte (assieme stampo/componente) ed un flusso di aria calda/fredda. Al fine di avere un riscaldamento/raffreddamento rapido e uniforme la struttura di supporto deve essere progettata per massimizzare tale flusso nella zona sottostante lo stampo. In Figura 42.9 è mostrato al contrario uno stampo in composito con la struttura di supporto in acciaio. Al fine di limitare gli effetti dei differenti CTE, in fase di progetto si cerca di limitare il numero di punti di collegamento tra le parti. La sottostruttura di supporto ideale deve massimizzare la rigidezza dello stampo riducendo al minimo l aumento di massa e peso. Figura 42.8 Stampo femmina di lamiera sostenuto da una struttura di composito. La struttura è dotata di una serie di fori per favorire il flusso d aria nella zona sottostante lo stampo all interno dell autoclave. Perseguendo questo obbiettivo si sono recentemente diffuse strutture reticolari in composito basate sull utilizzo di elementi tubolari a sezione rettangolare o quadrata uniti sia mediante incollaggio sia con collegamenti meccanici. La progettazione modulare di queste strutture tubolari ne rende facile e veloce la costruzione. Un esempio è riportato in Figura Figura 42.9 Stampo femmina di grafite/epoxy supportato da una struttura a traliccio in acciaio. Figura Stampo femmina di grafite/epoxy supportato da una struttura a traliccio realizzata mediante elementi tubolari in composito. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 6 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

7 Una soluzione efficiente ed economica, che trova applicazione nella produzione di componenti di dimensioni molto elevate, è infine rappresentata da soluzioni ibride basate sulla combinazione di una struttura rigida in acciaio (alla base) con una sottostruttura in composito. L esempio riportato in Figura ha la particolarità di non avere elementi di collegamento fra le 2 parti essendovi unicamente un vincolo di appoggio). Figura Stampo con sottostruttura di grafite appoggiato su struttura rigida in acciaio. In fase di progettazione dell attrezzo è necessario disporre in maniera ottimale i punti di aspirazione dell aria interna al sacco da vuoto e di tutte le sostanze volatili che si generano durante il processo di reticolazione della resina. In tali punti vengono installate delle valvole di non ritorno con innesto rapido cui si collegano i tubi flessibili provenienti dalla pompa da vuoto dell impianto. Tali punti sono generalmente collocati ad una distanza non superiore a 50-75mm dal laminato cui sono connessi mediante un tape di materiale poroso (breather) che favorisce il flusso d aspirazione. Oltre ad essi è necessario predisporre anche analoghi punti di misurazione del livello di vuoto raggiunto all interno del sacco. Ciò che avviene mediante collegamento con i vacuometri dell autoclave. Per stampi di piccole dimensioni (fino a 1 metro lineare nella direzione maggiore) è sufficiente collocare un solo punto di aspirazione e uno di misurazione, per stampi di dimensioni superiori deve essere previsto un punto ogni 2/3 metri. Durante il dimensionamento degli stampi deve essere previsto lo spazio necessario alla sigillatura del sacco da vuoto. Tale operazione avviene mediante l apposizione sulla superficie dello stampo di un nastro sigillante (plastilina) che circonda senza soluzione di continuità il laminato e che consente una chiusura ermetica tra stampo e sacco da vuoto. Tipicamente la superficie dello stampo viene sovradimensionata di mm per ogni lato. Al fine di prevenire e o ridurre le irregolarità sulla superficie esterna del laminato (quella opposta allo stampo) è possibile utilizzare delle coperture elastomeriche flessibili denominate flexible caul-plate. Esse possono essere costituite semplicemente da cuscini elastomerici di gomma termicamente stabile, come ad esempio molti tipi di silicone e fluoroelastomeri, in grado di modellarsi sulla forma del laminato sotto l azione della pressione di polimerizzazione. In tal caso la flexible caul plate viene posizionata direttamente in contatto con il preimpregnato durante la fase di laminazione e può essere considerata alla stessa stregua dei materiali di consumo che vengono utilizzati durante la preparazione del sacco da vuoto. Spesso è preferito l utilizzo di caul-plate già preformate. Rimandando al paragrafo per i dettagli realizzativi, si tratta in questo caso di un vero e proprio controstampo flessibile prodotto generalmente per formatura usando allo scopo il medesimo stampo del componente con la possibile interposizione di un modello. Le caul-plate del primo tipo (i cuscini elastomerici) hanno esclusivamente la funzione di migliorare la finitura superficiale del laminato ovvero hanno influenza solamente sull estetica dello stesso. Quelle del secondo tipo, come si vedrà più avanti, possono invece dare un contributo anche alle caratteristiche dimensionali e funzionali del manufatto. Esse evitano, ad esempio, lo sbandamento e lo spostamento delle fibre di rinforzo, contribuiscono al contenimento della resina con il risultato di favorire l ottenimento di laminati a spessore costante. Un altro concetto importante nei processi di formatura è il concetto di net shape e near net shape ovvero la possibilità di ottenere il manufatto nella forma finita al termine del ciclo di polimerizzazione senza la necessità di effettuare alcun tipo di operazione aggiuntiva ovvero limitando le operazioni necessarie. Tipicamente ciò non è perseguibile nei laminati ottenuti per formatura in autoclave a causa delle operazioni di contornatura che si rendono necessarie sia per eliminare le zone di accumulo della resina in eccesso sia, più in generale, per eliminare i difetti di bordo (sbandamento delle fibre, riduzione dello spessore, ecc.). Oltre ad implicare un aggravio di tempi e costi, la contornatura comporta l esposizione diretta delle fibre agli effetti ambientali e favorisce l innesco di delaminazioni nei laminati stessi. Al termine del processo di formatura, infatti, i manufatti mostrano un sottile strato superficiale protettivo di resina formatosi durante la polimerizzazione che viene rimosso in corrispondenza di tutte le zone contornate. E dunque opportuno limitare quanto più possibile le operazioni di contornatura riducendo per quanto possibile l entità delle difettosità ai bordi. Ciò che può essere ottenuto mediante l adozione di caul plate e controstampi flessibili. In alternativa, il concetto di net shape può essere correttamente applicato ai processi di formatura in stampo chiuso laddove risulta più agevole mantenere G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 7 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

8 il controllo di tutta la superficie esterna del manufatto (compresi i contorni) Stampo maschio e stampo femmina Per sua definizione uno stampo aperto è in grado di trasferire con precisione la geometria al componente da formare solamente su una faccia dello stesso ovvero quella a contatto con lo stampo durante il processo. In funzione dei requisiti del componente è necessario quindi selezionare quale sia la superficie dello stesso cui deve essere garantita un elevata precisione dimensionale. Si individua così la mold line sulla base della quale si progetta lo stampo che potrà essere di tipo maschio (inner mold line) oppure di tipo femmina (outer mold line) come esemplificato nello schema della figura sottostante. Un esempio opposto è rappresentato dai pannelli di rivestimento irrigiditi (pannelli nervati) come quello rappresentato in Figura La produzione avviene tipicamente in un unico ciclo di polimerizzazione e gli elementi di irrigidimento (stiffener) possono essere già polimerizzati, nel qual caso durante il ciclo avviene contemporaneamente anche l incollaggio tra le parti e si parla di incollaggio in co-polimerizzazione con il componente, oppure possono essere laminati direttamente insieme ai pannelli. E evidente come entrambe le soluzioni siano più facilmente praticabili utilizzando lo stampo femmina che rende più agevole l applicazione della pressione di polimerizzazione all assieme (eventualmente mediante attrezzi di supporto dedicati applicati sull IML). Outer mold line Inner mold line Stampo femmina Stampo maschio Figura Concetto di Inner e Outer mold line: scelta tra stampo femmina e stampo maschio. Un tipico esempio di componente aeronautico in composito realizzato mediante stampo femmina è il radome dei velivoli cui sono richieste tolleranze dimensionali molto ridotte sulla superficie esterna al fine di ridurre la resistenza aerodinamica. Ciò che può essere facilmente ottenuto ponendo tale superficie direttamente a contatto con quella dello stampo (Figura 42.13). Figura Stampo femmina per la produzione del radome. Figura Pannelli di rivestimento irrigiditi ottenuti mediante stampo femmina. Un esempio opposto è costituito dagli elementi di rivestimento chiodati per la cui installazione è richiesto che la superficie interna debba accoppiarsi perfettamente a quella della struttura sottostante. Poiché per la maggior parte dei processi di formatura in stampo aperto si ottengono tipicamente variazioni dimensionali (tollerate) dell ordine di ±5% sullo spessore, la soluzione che garantisce la maggior precisione sull IML è, in questo caso, quella di utilizzare lo stampo maschio (vedi Figura 42.15). Le molteplici variazioni di spessore presenti nel pannello (immagine (b) in figura) evidenziano chiaramente il livello di criticità dell accoppiamento con la struttura del velivolo. Un grado di finitura superficiale accettabile è in tal caso ottenibile sul lato opposto utilizzando delle flexible caul-plate. Componenti a forma angolare, travi con profili a C o ad I, sono anch essi polimerizzati solitamente su stampo maschio al fine di rendere più agevole la fase di laminazione delle pelli di pre-impregnato sugli stessi. Dal punto di vista delle difficoltà realizzative infatti risulta in genere preferibile evitare la deposizione delle pelli entro la cavità di uno stampo femmina. In sintesi, la scelta della mold line del componente dipende da molteplici fattori che riguardano l intero processo produttivo e non è dettata da una semplice preferenza del progettista. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 8 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

9 presenza sulla stessa di un set di fori accoppiati ad una serie di spine di centraggio allocate sullo stampo. Un altra tecnica è quella che prevede l utilizzo di sagome in fibra di vetro che replicano il negativo della lamina parziale. Anche in questo caso un sistema dedicato assicura il corretto posizionamento delle sagome. Per gli attrezzi di dimensioni maggiori può essere previsto il montaggio di elementi metallici ausiliari che modificano temporaneamente lo stampo e che vengono rimossi non appena il posizionamento delle pelli parziali è concluso. (a) (b) Figura Pannello di rivestimento alare dell F/A-18 Hornet realizzato mediante stampo maschio: chiusure del sacco da vuoto (a); vista dell IML della parte a polimerizzazione ultimata (b) La gestione del ply-drop off nei laminati Con il termine ply-drop off si intende la presenza di lamine con dimensioni inferiori a quelle del laminato localizzate in zone opportune all interno del laminato stesso. In questo modo è possibile aggiungere materiale dove necessario per diminuire lo stato di sforzo locale in punti del componente particolarmente critici. Come risultato possono essere ottenute delle discontinuità geometriche la cui gestione, in fase di realizzazione del componente, richiede particolare attenzione. La laminazione avviene generalmente in più fasi e possono essere utilizzati attrezzi ausiliari e tecniche dedicate. Le lamine parziali possono essere deposte sul laminato mediante film di supporto di poliestere opportunamente sagomati e coordinati con lo stampo. Il corretto posizionamento della sagoma è assicurato dalla Le caul-plate rigide Essendo un processo in stampo aperto, la formatura in autoclave presenta inevitabilmente problemi di controllo dimensionale relativamente allo spessore del manufatto ed alle irregolarità geometriche sulla faccia opposta allo stampo. Ad esempio, è necessario garantire le tolleranze dimensionali richieste nel caso di accoppiamento meccanico con la struttura su cui la parte deve essere montata. Questo aspetto può essere controllato e gestito adottando attrezzi specifici chiamati caul-plate rigide. Come si può chiaramente capire dagli esempi riportati in Figura 42.16, si tratta di piastre, tipicamente metalliche, che possono coprire integralmente la parte (Figura a) oppure che possono essere applicate localmente in punti ben precisi della stessa (Figura b-c-d). Generalmente le caul plate vengono impiegate per controllare: i bordi di un laminato, specialmente quando lo stesso debba essere montato sulla struttura in accoppiamento; il contorno di un foro di accesso che deve essere opportunamente protetto (caul plate di protezione) le flange di profili formati su stampo maschio; la superficie esterna delle solette di travi ad I. Le caul plate devono essere molto rigide al fine di evitare deformazioni alle stesse (e di conseguenza ai laminati) per effetto della pressione di compattazione applicata durante il ciclo produttivo. Questo aspetto è particolarmente critico e richiede particolare attenzione in fase di progettazione. A causa del basso livello di viscosità che la resina esibisce durante il processo di polimerizzazione, la pressione esercitata dalla caul-plate sul laminato comporta infatti la fuoriuscita in modo incontrollato della resina in eccesso (si parla di squeeze-out). Caulplate non sufficientemente rigide asseconderebbero (deflettendosi) tale flusso non uniforme di resina amplificando le variazioni di spessore nel laminato rispetto ai dati di progetto. Come risultato si otterrebbe infatti un manufatto con evidenti avallamenti superficiali G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 9 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

10 dovuti alla localizzazione di zone a minor contenuto di resina. evitare perdite di resina significative durante la polimerizzazione. Lo spessore delle caul plate può essere calcolato attraverso un dimensionamento a rigidezza flessionale. L entità della deflessione concessa deve essere inferiore alla metà della massima tolleranza accettabile. Un esempio di stampo e caul-plates è riportato in Figura (a) (b) (c) (d) Figura Esempi di applicazione delle caul plate rigide. Osservando lo schema in Figura b si può notare che le caul plate devono avere i bordi rastremati in corrispondenza delle zone di estremità in contatto con il laminato al fine di facilitare l azione del sacco da vuoto ed evitare allo stesso la formazione di grinze. Zone di tenuta (sealing area) devono essere inoltre previste per Figura Stampo maschio e caul plate annesse per la produzione di un elemento in composito con profilo a C Attrezzi smontabili e attrezzi spendibili In funzione della geometria del manufatto che si deve realizzare è talvolta necessario adottare stampi smontabili o spendibili. E il caso in cui siano presenti sottosquadri oppure in tutte quelle applicazioni in cui lo stampo sia assimilabile ad un mandrino (ovvero per manufatti che presentano delle cavità). Per stampo smontabile si intende uno stampo composto dall unione di più parti, la rimozione della prima delle quali consente successivamente la rimozione completa dello stampo (ovvero la sformatura completa del manufatto dallo stesso). Stampi di questo tipo, che sono generalmente metallici, possono essere attrezzi piuttosto semplici ovverosia stampi dotati di uno o più componenti aggiuntivi denominati carrelli (il cui movimento consente per l appunto l estrazione del manufatto al termine del processo) oppure possono essere dei veri e propri mandrini costituiti da più settori la cui rimozione dalla cavità avviene settore per settore. Stampi di questo tipo vengono utilizzati quando la forma geometrica lo permette. Per forme più complesse si impiegano stampi spendibili, ovvero stampi a perdere realizzati con materiali solubili. Un esempio è un prodotto sviluppato recentemente il cui nome commerciale è Aquacore. Si tratta di un materiale solubile in acqua, resistente alle alte temperature (T max =193 C), facilmente modellabile e compatibile con G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 10 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

11 la maggior parte delle resine epossidiche. Esso può essere fornito sottoforma di semilavorati lavorabili alle macchine utensili oppure direttamente in polvere umida. In tal caso lo stampo è ottenuto per presso-formatura mediante un attrezzo dedicato cui segue un ciclo di stabilizzazione termica a 93 C. Una variante dell Aquacore è l Aquapour che si differenzia per la sua elevata colabilità. Fornita allo stato liquido essa può essere facilmente colata in uno stampo apposito e sottoposta ad un ciclo termico di indurimento (Figura 42.18). procedura, che viene definita produzione one shot, consente di ridurre notevolmente i tempi dell intero ciclo produttivo. (a) (b) (c) (d) Figura Portellone aeronautico completamente realizzato in un unico ciclo di polimerizzazione mediante l adozione di tooling spendibili. (e) Figura Sequenza di applicazione di un mandrino in Aquacore: Mandrino realizzato di macchina (a); applicazione di un prodotto turapori (Aquaseal) (b); mandrino posato in fase di laminazione del componente in composito (c); rimozione del mandrino attraverso il suo scioglimento in acqua (d-e); prodotto finito (d). Gli attrezzi prodotti in questo modo possono essere rimossi dal manufatto in composito in pochi minuti mediante immersione in un bagno d acqua. La Figura mostra un portellone aeronautico integralmente in composito in cui la produzione e l incollaggio di tutti gli elementi, dal pannello ai rinforzi, (settori di ordinata, longheroni, nervature), avviene in un unico ciclo di polimerizzazione. Ciò è reso possibile grazie all utilizzo di questi mandrini spendibili che, in quanto tali, possono essere posizionati in punti che divengono inaccessibili a manufatto ultimato. La realizzazione di un componente secondo questa (f) Un alternativa agli stampi spendibili è quella delle vesciche elastomeriche. Introdotte all interno della cavità presente nella parte in composito da polimerizzare, esse possono essere facilmente gonfiate e pressurizzate per garantire la corretta compattazione al preimpregnato. Una tecnica analoga è quella del sacco da vuoto interno che consente di trasferire all interno delle cavità dei manufatti la pressione di polimerizzazione esercitata dall autoclave. In tal caso la parte viene prodotta mediante stampo femmina. Il posizionamento del sacco da vuoto avviene mediante l uso di un anima interna a perdere (ad esempio di styrofoam 1 ) su cui viene effettuata la laminazione. Prima delle pelli di preimpregnato vengono deposti, in ordine inverso rispetto alla procedura standard, il film per il sacco da vuoto, il breather, il bleeder, il film separatore ed il peel- 1 Lo styrofoam è un materiale espanso che fonde a temperature inferiori a 100 C e che può essere utilizzato per la realizzazione di anime di supporto alla fase di laminazione. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 11 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

12 ply. Ultimata la fase di laminazione si procede con la chiusura dello stampo e con la sigillatura del sacco Rapid tooling e soft tooling Con il termine Rapid Tooling, o attrezzaggio rapido, si intendono tutti gli attrezzi prodotti con tecniche di prototipazione rapida. Essi sono tipicamente utilizzati come stampi pilota oppure per la realizzazione delle preserie. Caratteristica principale di questa classe di attrezzi è la velocità di realizzazione ed il costo contenuto. Le tecniche dell attrezzaggio rapido possono essere classificate in tecniche di tipo diretto (dove la macchina RP produce direttamente l attrezzatura) e tecniche di tipo indiretto (dove si combina il prototipo rapido, usato come modello master, con processi tradizionali per ottenere l attrezzatura). Possono essere ritenute appartenenti a quest ultima classe anche le tecniche di produzione per elettroformatura. Con il termine soft tooling si intendono gli attrezzi leggeri ovvero realizzati con materiali che non garantiscono tempi di vita molto elevati e che, di conseguenza, vengono utilizzati per la produzione di serie limitate. Caratteristica del soft tooling è, come per il rapid tooling, il tempo di approntamento ridotto. Un esempio di questa classe di attrezzaggi sono gli stampi di grafite/epoxy. Spesso il termine soft tooling viene utilizzato quando ci si riferisce a stampi ottenuti per lavorazione alla macchina utensile di blocchi di resina epossidica, oppure di poliuretano espanso ad alta densità. A differenza dei materiali metallici, questi semilavorati consentono alte velocità di lavorazione con tempi e costi di realizzazione molto bassi. Nel contempo essi sono termicamente stabili anche a temperature piuttosto elevate (esistono resine in grado di sopportare anche i cicli a 177 C) e sopportano senza problemi le pressioni tipiche dei cicli di polimerizzazione. In virtù delle loro caratteristiche recentemente vi è stata un ampia diffusione di tali attrezzaggi che vengono sempre più utilizzati anche in fase di sperimentazione nei laboratori di ricerca delle grandi aziende La gestione degli effetti dell espansione termica Poiché molti materiali comunemente utilizzati per la realizzazione di attrezzi, come ad esempio le leghe d alluminio e gli acciai, espandono e si contraggono più dei laminati in composito che vengono prodotti attraverso di essi, è necessario adottare delle azioni correttive in grado di compensare tali differenze di dilatazione e contrazione termica. Se non correttamente gestite, entrambe queste condizioni possono causare errori dimensionali nei manufatti financo il danneggiamento dei laminati. Durante un processo di polimerizzazione la temperatura alla quale la resina solidifica si chiama temperatura di gelificazione. In corrispondenza di questa specifica temperatura il componente assume le medesime dimensioni dello stampo termicamente dilatato. A temperature superiori lo stampo espande più del componente che è ormai congelato in quelle dimensioni essendo parzialmente polimerizzato introducendo deformazioni termiche. La dilatazione termica è normalmente controbilanciata riducendo le dimensioni dello stampo a temperatura ambiente secondo il coefficiente correttivo Z indicato nell eq (vedi Figura 42.21). z CTE CTE T T (eq. 42.1) dove: c T gel CTE C è il coefficiente di dilatazione termica del componente; CTE T è il coefficiente di dilatazione termica dell attrezzo; T gel è la temperatura di gelificazione della resina, ovvero la temperatura alla quale la resina solidifica; T RT è la temperatura ambiente. RT Figura Esempio di soft tooling: stampo chiuso ottenuto in materiale epossidico per componente prodotto in RTM. Ad esempio nel caso si debba produrre un componente di lunghezza 120 pollici (3048mm) che polimerizza ad una temperatura di 177 C mediante uno stampo in lega leggera di alluminio esso dovrà avere una lunghezza di 119,7 pollici (3040mm). Un altro fattore correttivo che è necessario adottare nel caso della progettazione di attrezzi per componenti a geometria complessa è quello relativo al ritorno elastico. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 12 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

13 minori si ottengono con gli spessori maggiori. Ciò non significa tuttavia che nei laminati spessi vi sia uno stato di sforzo residuo inferiore rispetto ai laminati sottili. Infatti, nonostante la distorsione sia minore è dimostrato che i laminati spessi manifestino una tendenza maggiore a presentare microfessurazioni durante i cicli termici. Figura Coefficienti correttivi dell espansione termica nel dimensionamento degli attrezzaggi Quando una lamiera viene stampata a temperatura ambiente mediante un processo di deformazione plastica a freddo (vedi paragrafo 13.6) essa subisce un ritorno elastico dopo la formatura denominato springback. Nel caso di una piegatura, ad esempio, la compensazione di tale effetto è possibile mediante una piegatura con raggi di curvatura più ridotti ovvero mediante un operazione di overbending. Nei compositi avviene il fenomeno opposto per cui i componenti tendono a esasperare i raggi di curvatura che, al termine del processo, risultano inferiori a quelli dell attrezzo. Il fattore correttivo in questo caso porta ad un sovradimensionamento dello stampo (vedi Figura 42.22). Il grado di compensazione richiesto dipende dalla sequenza di laminazione e dallo spessore del laminato e non è facilmente quantificabile. Il fattore correttivo può essere stabilito sulla base di analisi ad elementi finiti e evidenze sperimentali. Figura Effetti del materiale dello stampo, dello spessore del laminato nonché dell orientazione delle fibre di rinforzo sulla deformazione del laminato stesso. Anche la fase di raffreddamento dalla temperatura di polimerizzazione dei laminati può causare problemi perché l attrezzo si contrae maggiormente e più velocemente del composito. Per stampi in materiale ad elevato CTE come la lega d alluminio, essi possono comprimere i laminati causando danni intralaminari o delaminazioni (vedi Figura 42.24). Figura Coefficienti correttivi dello springback nel dimensionamento degli attrezzaggi La Figura mostra alcuni dati relativi all influenza del tipo e dell orientazione del rinforzo, dello spessore (ovvero del numero di pelli) del laminato nonché del materiale dello stampo sullo svergolamento finale causato dai differenti CTE. Si può notare che gli effetti Figura Potenziali difetti causati al manufatto dallo shrinkage dello stampo. Per pannelli di rivestimento ed altri componenti simili di grandi dimensioni, opportune spine di teflon (ovvero di G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 13 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

14 materiale cedevole) possono essere adottate per prevenire tali tipi di danno (Figura a). Un altro esempio è mostrato in Figura b dove un angolo di 30 è stato adottato sulle pareti di una tasca dell attrezzo al fine di consentire l automatica espulsione del componente dalla tasca stessa durante il raffreddamento evitandone la delaminazione. La Figura c mostra alcuni particolari geometrici e le soluzioni adottate sugli stampi per la loro realizzazione. Ad eccezione degli stampi multipli in cui i form block sono fissati su di una base, in genere gli attrezzi sono supportati da una sottostruttura (come quella mostrata in Figura 42.26) la cui progettazione è molto importante per favorire la trasmissione del calore al componente durante il processo di polimerizzazione. Più la sottostruttura è aperta e più è favorito il flusso d aria e, conseguentemente, il riscaldamento/raffreddamento del pezzo. (a) (b) Figura Esempio di struttura di supporto di uno stampo. (c) Figura Esempi di soluzioni adottate per prevenire eventuali danni da shrinkage dello stampo: uso di spine di teflon (a); adozione di angoli di espulsione (b); posizionamento di elementi di sughero in corrispondenza delle zone di battuta della parte (c) Stampi per elettroformatura Gli stampi di Nichel elettro-formati sono costituiti da un corpo centrale (guscio) di Nichel di spessore compreso fra 4,6mm e 6,4mm supportato da una struttura metallica. Tale guscio è ottenuto per elettroformatura ovvero attraverso un processo di elettrodeposizione di nichel su di un mandrino con superficie conduttiva immerso in una cella elettrolitica. Questo tipo di stampi offre una serie di vantaggi: G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 14 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

15 assenza di limiti dimensionali (il limite è dato dalle dimensioni della cella elettrolitica); basso costo di duplicazione; elevata qualità superficiale; buona resistenza all abrasione; basso Coefficiente di dilatazione termica (40% in meno di quello delle leghe d alluminio); peso contenuto elevata maneggevolezza e facilità di trasporto; elevata durabilità (in virtù dell ottimo comportamento agli effetti ambientali; in particolare la superficie dello stampo è termicamente inerte); facile riparabilità; buone caratteristiche distaccanti della superficie dello stampo; possibilità di formare geometrie molto complesse con costi contenuti; rapidità di riscaldamento e raffreddamento con un eccellente uniformità termica Mandrino utilizzato per il processo di elettroformatura L elettroformatura è un processo che prevede la produzione di un oggetto tramite il deposito di un metallo su una superficie conduttiva (catodo). Un anodo immerso in una soluzione elettrolitica è connesso al polo positivo di una sorgente elettrica e il mandrino è connesso al polo negativo. Il flusso elettrico è possibile grazie al passaggio degli elettroni formatisi dall ossidazione dell anodo in nichel e dalla riduzione degli ioni di nichel in metallo sul catodo. Quando la parte realizzata tramite elettroformatura viene rimossa dal mandrino, la forma è speculare a quella del mandrino stesso. La prima fase per la produzione di uno stampo per elettroformatura è la realizzazione del modello della parte. Esso deve avere le medesime dimensioni nette dello stampo che si vuole realizzare al fine di compensare le differenti dilatazioni termiche (dovute al differente CTE dei materiali) tra la parte in composito e lo stampo di nichel. In altre parole il modello deve avere la medesima geometria che la parte e lo stampo di Nichel assumono in corrispondenza della temperatura di gelificazione della resina durante il ciclo di polimerizzazione. I modelli possono essere realizzati con materiali diversi tra cui: plastica, fibre di vetro, materiali compositi, legno, metalli e altri materiali. Utilizzando il modello come mandrino è possibile, nella fase successiva, costruirne il negativo, spesso chiamato mandrino inverso o stampo madre. Esso è generalmente di plastica oppure realizzato in composito a base di fibra di vetro e resina epossidica a freddo (ovvero che polimerizza a temperatura ambiente). Da questo infine si ottiene il mandrino da utilizzarsi nel processo di elettroformatura, anch esso realizzato tipicamente in materiale composito. Se il modello è preparato adeguatamente e presenta un ottima finitura superficiale talvolta può essere utilizzato direttamente come mandrino riducendo notevolmente costi e tempi. Un apposito sistema di leve e ancoraggi deve essere previsto sul mandrino per facilitarne la rimozione dallo stampo a elettroformatura completata. Inoltre, a causa delle loro grandi dimensioni (gli stampi per elttroformatura vengono utilizzati tipicamente per manufatti di grandi dimensioni quali ad esempio i pannelli di rivestimento) spesso i mandrini devono essere rinforzati sul retro con strutture del tipo eggcrate (Figura 42.27). Il rinforzo deve essere sufficientemente rigido al fine di evitare la possibilità di distorsioni durante il processo di elettroformatura. Sulla superficie del mandrino si applica infine uno strato di materiale conduttivo (tipicamente un coating d argento) per consentire il processo di elettroformatura. Figura Vista posteriore di un mandrino per lo stampo di un rivestimento alare Elettroformatura dello stampo Terminate le fasi relative alla preparazione del mandrino (fase 1: realizzazione del modello; fase 2: realizzazione stampo madre; fase 3: realizzazione mandrino), e dopo aver installato il mandrino nel serbatoio di placcatura (fase 4) ha inizio il processo di elettroformatura dello stampo. La Figura mostra stampi con differenti geometrie. Come si evince dagli schemi, nel caso di geometrie complesse lo spessore risultante non è generalmente costante. Caratteristica dell elettrodeposizione è infatti la tendenza della corrente elettrica a localizzare i depositi di nichel in corrispondenza degli angoli. Ciò che comporta una sovra-deposizione in talune zone al fine di garantire un certo spessore minimo in altre (con conseguente aumento di tempo, costi e peso dello stampo). Per ridurre questo problema è possibile utilizzare delle barriere non conduttive al fine di modificare le linee del campo elettrico e deviare opportunamente il flusso degli ioni. Al termine del processo di elettroformatura l assieme stampo/mandrino viene fissato alla struttura di supporto (è essa stessa parte integrante dello stampo) e solamente G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 15 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

16 quando tutte le operazioni sono completate il mandrino viene rimosso. (a) (b) Figura Modalità di deposizione del Nichel sul mandrino: forme con livello di difficoltà elevato (a) e basso (b). La Figura riporta la sequenza completa del processo. Figura Sequenza del processo di produzione di uno stampo per elettroformatura di Nichel Stampi in composito La realizzazione di una struttura in composito può essere effettuata tramite diverse attrezzature. Oltre ai già noti attrezzi in metallo (leghe di alluminio o acciaio) e a quelli elettroformati in nickel, vi è la possibilità di utilizzare stampi in materiale composito realizzati per stratificazione di lamine su appositi modelli ed effettuando la polimerizzazione in forno. I modelli possono essere realizzati con le tecniche più opportune e dalle caratteristiche conferite agli stessi dipendono i materiali ed i cicli di polimerizzazione che possono essere successivamente impiegati nella produzione dello stampo. Se ad esempio si utilizza un modello ottenuto per prototipazione rapida questo difficilmente può sopportare le temperature e le pressioni di polimerizzazione tipiche dei pre-impregnati. Ciò comporta la necessità di effettuare una laminazione ad umido dello stampo basandosi su resine a temperatura ambiente. Conseguenza di una tale scelta è l ottenimento di stampi con caratteristiche meccaniche e di resistenza alle alte temperature medio basse. Qualora sia possibile è quindi preferibile produrre gli stampi mediante un processo di laminazione a secco basato sull utilizzo di preimpregnati che conferiscono, come è ben noto, caratteristiche globali nettamente superiori I vantaggi degli attrezzi in composito I vantaggi del composite tooling sono molteplici. Nel seguito sono riportati i più importanti. Basso coefficiente di espansione termica Il basso coefficiente di espansione termica lineare degli stampi in composito costituisce uno dei vantaggi principali di questa categoria di attrezzi e rappresenta probabilmente la caratteristica che più di ogni altra ne ha favorito lo sviluppo. Indipendentemente dal tipo di stampo utilizzato, durante il ciclo di polimerizzazione di un componente in composito l iterazione con lo stampo stesso passa attraverso diverse fasi: Riscaldamento iniziale. L attrezzo si espande secondo il proprio CTE e il laminato essendo ancora deformabile si espande conseguentemente adattandosi a tali variazioni. Temperatura di gelificazione. Attrezzo e parte hanno le medesime dimensioni e la matrice del laminato è parzialmente gelificata. Riscaldamento fino alla temperatura di polimerizzazione. Lo stampo e il laminato (già parzialmente indurito) si espandono. A causa delle differenti risposte termiche si può avere la formazione di sforzi nel laminato. Mantenimento. La struttura in composito migliora le proprie caratteristiche meccaniche mentre è mantenuta deformata dall attrezzo. Raffreddamento. Le parti si contraggono secondo il proprio CTE, ma essendo il laminato vincolato dalla pressione allo stampo, vengono introdotte deformazioni addizionali. E evidente che per ridurre o evitare la presenza di distorsioni residue all interno del pezzo è possibile impiegare stampi aventi CTE simili a quelli dei laminati. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 16 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

17 Ad esempio, impiegando stampi in carbonio per le realizzazione di parti in carbonio e orientando le lamine dello stampo in modo tale che seguano quelle del pezzo è possibile ottenere la medesima espansione termica (per lo stampo e per il pezzo). In questo modo si riduce la presenza di sforzi residui e di errori dimensionali. Gli stampi di grafite hanno un coefficiente di dilatazione termica più basso rispetto agli altri materiali usualmente utilizzati per la fabbricazione di stampi (Tabella 42.3). Ciò consente la realizzazione di componenti con tolleranze molto ridotte. Nel caso di CTE sensibilmente differenti tra stampo e componente, gli sforzi che si generano durante il ciclo possono comportare al manufatto dimensioni non accurate e persino la nascita di deformazioni flesso-torsionali (che possono essere rilevanti ed assolutamente inaccettabili nei manufatti di grandi dimensioni). Tabella 42.3 Prestazioni dei materiali tipicamente utilizzati per la realizzazione degli stampi. Materiale stampo Grafite/epoxy in dry lay-up Vetro/epoxy in dry lay-up Coefficiente di dilatazione termica (CTE) (10-6/K) Correzione termica richiesta per la compensazione delle dilatazioni termiche per dimensione lineare di per angolo di 0,9m 9m Acciaio Nichel elettroformato Vetro/epoxy in wet lay-up Alluminio uniforme e trasferendo al manufatto un profilo di temperatura ottimale. profilo durante l'elaborazione di una parte in composito. Facilità di realizzazione Un altro vantaggio di questi attrezzi è rappresentato dalla facilità di realizzazione. Essi possono infatti essere costruiti velocemente ed economicamente utilizzando modelli in gesso o in plastica. L intero processo produttivo si è notevolmente semplificato con il diffondersi dei materiali preimpregnati. Bassa densità In virtù della bassa densità dei materiali costituenti (matrice e fibre) anche gli attrezzi, così come tutti i manufatti in composito, sono contraddistinti da una densità complessiva molto ridotta. Gli stampi risultano quindi essere molto più leggeri di quelli metallici rendendo più agevole la loro movimentazione. Ratei produttivi più elevati Grazie ad una buona conduttività termica gli stampi in grafite esibiscono un inerzia termica inferiore a quelli metallici. Ciò comporta sia tempi di riscaldamento e raffreddamento più ridotti (Figura 42.30)sia un minor consumo energetico. La contrazione dei tempi ha come diretta conseguenza l innalzamento dei ratei produttivi. Viceversa, se il CTE è il medesimo, l attrezzo e la parte sono termicamente accoppiati: essi si espandono e si contraggono della stessa quantità durante il ciclo ed il manufatto è dimensionalmente molto più accurato. Confrontando a titolo esemplificativo due manufatti realizzati rispettivamente con un attrezzo di grafite e con uno di lega di alluminio si può osservare che lo springback in corrispondenza di un raggio di piegatura (indotto dagli sforzi di natura termica) si riduce di oltre il 75%. Analogamente per le deformazioni flessotorsionali (warpage). Si deve infine osservare che essendo dei laminati, per loro natura gli attrezzi in composito hanno generalmente uno spessore relativamente costante. Ciò permette di ottenere una risposta termica ottimale. Rispetto ad un attrezzo metallico macchinato, che ha generalmente una sezione trasversale a spessore variabile, l'attrezzo in composito si riscalda e si raffredda in modo più Figura Ratei di risaldamento dell acciaio e della grafite. Stabilità termica L impiego di resine ad elevata stabilità termica, appositamente sviluppate per il settore degli attrezzaggi, permette la realizzazione di stampi con una vita utile dell ordine delle centinaia di cicli. In particolare queste resine hanno la caratteristica di poter essere polimerizzate a basse temperature (inferiori a 100 C) ed avere poi delle temperature di esercizio ben superiori (205 C) a seguito di un ciclo di post cura (Figura 42.31). Un ulteriore vantaggio di questi sistemi di resine risiede nel fatto che il ciclo di post cura può essere eseguito G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 17 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

18 dopo la rimozione del modello per la realizzazione del quale è possibile quindi l impiego di materiali standard. possono nucleare microcricche che propagano all interno causando perdite. Un altro svantaggio degli stampi in composito deriva dalla difficoltà di effettuare modifiche agli stessi. Ciò che invece costituisce un punto di forza degli attrezzi metallici cui è possibile effettuare lavorazioni alla macchina utensile oppure aggiungere delle parti mediante saldatura. Anche l utilizzo di dispositivi atti a regolare dimensionalmente l attrezzo (quali ad esempio i tenditori che permettono di rientrare entro le tolleranze di progetto) è sconsigliato nel caso dei compositi perché causa la nascita di tensioni interne pericolose durante i cicli termici (anche in questo caso possono provocare cricche). La qualità degli stampi in composito dipende in larga misura dalla scelta corretta dei materiali e del ciclo tecnologico. Attrezzi realizzati con un processo wet layup non sono paragonabili a quelli ottenuti con i preimpregnati. Figura Ciclo di polimerizzazione e di postpolimerizzazione per resine ad elevata stabilità termica Gli svantaggi degli attrezzi in composito Gli attrezzi in composito hanno una minore durabilità e tolleranza al danno rispetto a quelli metallici. Uno dei principali problemi è legato alla perdita progressiva della capacità di mantenere il vuoto. Ciò può essere attribuito a diversi fattori: I cicli termici cui viene sottoposto l attrezzo durante la propria vita operativa causa microfessurazioni nella matrice dello stesso creando nel tempo un percorso alle perdite di vuoto o di pressione. Queste cricche sono attribuite principalmente alla differenza di CTE tra matrice e fibre di rinforzo. Alcuni stili di tessitura (ad esempio plain-weave) o tessuti realizzati con yarn di dimensioni elevate sono più inclini a questo problema perché presentano zone critiche all intersezione dei filati laddove possono localizzarsi sacche di resina o vuoti. Figura Influenza dello stile di tessitura sulla presenza di vuoti e sacche di resina. Gli attrezzi in composito possono essere facilmente danneggiati durante il trasporto e devono essere trattati con estrema attenzione. Flessioni e graffi accidentali Realizzazione dell attrezzo Al pari di qualsiasi manufatto in composito, anche la progettazione di uno stampo non può che iniziare dalla definizione dei requisiti da cui dipende la scelta sia dei materiali (tipo di fibra, tipo di resine, stile di tessitura, sequenze di laminazione) sia dei processi tecnologici. Fra i principali si ricordano i livelli di temperatura e pressione/vuoto operativi, il tasso di produzione (numero di parti da produrre ovvero numero di cicli cui lo stampo deve essere sottoposto) e le tolleranze dimensionali del manufatto. La progettazione dipende poi dalle dimensioni e dalla forma che si vuole conferire all attrezzo nonché dai carichi, statici o dinamici, cui esso verrà sottoposto in servizio. Vengono così stabilite le sequenze di laminazione ovvero gli spessori, il numero di strati, l orientamento delle fibre. Avendo una forma intrinsecamente autoportante, lo stampo per la produzione del radome illustrato in Figura 42.13, può essere ottenuto con i livelli di rigidezza adeguati senza la necessità di utilizzare una sottostruttura di supporto (basandosi cioè solamente sull orientazione opportuna delle fibre di rinforzo). Ciò che non può essere fatto per forme prevalentemente planari o leggermente sagomate per cui è richiesta un'analisi più dettagliata della rigidezza aggiuntiva necessaria (da conferire mediante un supporto rigido). A livello di materiali, i tipi di fibra di rinforzo più utilizzati nella produzione degli stampi sono le fibre di vetro tipo E e le fibre di carbonio ad alta resistenza. Le prime sono meno costose, le seconde sono più leggere e più rigide. Rispetto a quelli in fibra di carbonio, i laminati a base di fibra di vetro hanno un CTE e una massa termica maggiori. A causa del loro CTE negativo, le fibre arammidiche non sono impiegate. Le fibre lunghe sono normalmente preferite alle fibre corte per la necessità di ottenere stampi ad elevata rigidezza e resistenza. Tendenzialmente i tessuti sono preferiti ai G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 18 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

19 rinforzi unidirezionali per la loro maggiore drappabilità. Fra i vari stili i più diffusi sono il twill, il plain ed il satin. Fra le matrici, le più utilizzate sono le resine epossidiche. Per quanto riguarda infine le sequenze di laminazione la scelta ricade spesso su sequenze quasi isotrope. L uso dei pre-impregnati garantisce l ottenimento di stampi qualitativamente superiori. Lo stampo è realizzato seguendo le fasi di produzione dei manufatti in composito ottenuti per formatura (vedere cap. 37). La tecnica standard parte dalla preparazione del modello (realizzato ad esempio in legno, gesso, stucco, poliuretano ad alta densità, ecc.) che deve essere adeguatamente rifinito e in alcuni casi essiccato e sigillato. Dopo aver applicato un agente distaccante, si procede con l applicazione sul modello di particolari gel-coat che conferiscono una eccellente finitura superficiale all attrezzo (condizione necessaria per avere poi una buona finitura del manufatto). Nel caso in cui l attrezzo sia realizzato mediante formatura in autoclave l applicazione del gel-coat può non essere necessaria in quanto i livelli di pressione applicati durante il processo sono sufficienti a conferire all attrezzo superfici sufficientemente lisce. Se è richiesto un grado di finitura estremamente elevato è possibile utilizzare dei gel-coat in film che, unitamente all azione dell autoclave, sono in grado di eliminare qualsiasi minima increspatura delle fibre (ad esempio il print-through dei tessuti). La fase di laminazione prosegue con la deposizione delle lamine di preimpregnato (generalmente si utilizzano, come già ricordato, sequenze di laminazione quasi isotrope) e con la chiusura del sacco da vuoto. A fine ciclo di polimerizzazione lo stampo, ancora disposto sul modello, viene vincolato ad una struttura di supporto che ne permette l irrigidimento. Tolto dal modello, l assieme stampo/struttura di supporto vengono infine sottoposti ad un trattamento di post-cura in forno Attrezzi prodotti Gli attrezzi in Grafite-Epoxy sono largamente utilizzati in ambito aerospaziale laddove le tolleranze richieste sono molto stringenti, soprattutto per la produzione di manufatti di grandi dimensioni. In virtù delle peculiarità di tali attrezzi i componenti sono facilmente riproducibili. La Figura e le figure che seguono mostrano gli stampi per la produzione di pannelli di rivestimento alare, per la realizzazione di parti di fusoliera e per il bordo d attacco di una pala di rotore di elicottero. Figura Serie di coppie di stampi (inferiore e superiore) di pannelli di rivestimento di velivoli di piccole dimensioni (business jet). Figura Stampo per il bordo di attacco di una pala di rotore di elicottero. Figura Stampo e relativo pannello di rivestimento alare in carbonio. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 19 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

20 42.6 Elastometric Tooling impiego di attrezzi o di mandrini elastomerici per L generare o intensificare la pressione necessaria alla produzione di strutture in composito è nota da tempo. Più recente risulta essere l uso di attrezzi elastomerici vincolati da strutture rigide che, attraverso il fenomeno dell espansione termica durante il ciclo di polimerizzazione, permettono l applicazione della pressione desiderata Metodi di generazione della pressione basati sull espansione termica: i mandrini elastomerici Esistono due differenti metodi per applicare la pressione al laminato in composito attraverso mandrini elastomerici. Nel primo il mandrino viene inserito e sigillato all interno della cavità della parte da polimerizzare. La parte è a sua volta inserita in uno stampo femmina. Al crescere della temperatura l elastomero si espande nella cavità della parte maggiormente rispetto allo stampo esterno metallico (avendo un CTE più elevato) esercitando in questo modo la pressione necessaria alla compattazione del laminato. Questo metodo prende il nome di Fixed- Volume Method in quanto il volume della cavità all interno della quale l elastomero può espandersi è ben definita. Chiaramente essendo limitata la possibilità di espansione del mandrino in gomma è necessario calcolarne con precisione il volume iniziale (prima dell espansione). motivo la tecnica prende il nome di Variable-Volume Method. Un raffronto tra i due differenti metodi viene presentato in Figura I metodi di formatura di compositi per espansione termica sono generalmente impiegati per la realizzazione di strutture di forma tubolare Fasi della formatura per espansione termica Le fasi principali della formatura per dilatazione termica sono mostrate in Figura per un caso esemplificativo monodimensionale basato sul Fixed Volume Method. Figura Fasi della dilatazione termica di un mandrino elastomerico nel caso del Fixed Volume Method (P=pressione; T=temperatura;L=lunghezza). Figura Esemplificazione del Fixed Volum Method (a) e del Variable Volume Method (b) per l elastomeric tooling. Per ovviare a questa problematica è possibile chiudere la cavità con un piano flottante. Il mandrino può quindi espandersi anche nella direzione del piano flottante spostandolo. Il volume dell elastomero non deve essere in questo caso calcolato con precisione e per questo Nelle fasi iniziali del ciclo di polimerizzazione l elastomero non è a contatto con il laminato (Figura a). Al crescere della temperatura esso espande (Figura b) fino ad arrivare, in corrispondenza della temperatura di gelificazione, a esercitare sul laminato la pressione di compattazione ottimale (pressione di gelificazione, (Figura c). Il ciclo termico prosegue con una fase di mantenimento a tale temperatura per un tempo sufficiente all indurimento della parte. Dopo aver rimosso il laminato dallo stampo si effettua un ciclo di post-cura alla temperatura di G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 20 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano