CAP.40 - COMPOSITI A MATRICE TERMOPLASTICA TIPOLOGIE E TECNOLOGIE

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1 CAPITOLO COMPOSITI A MATRICE TERMOPLASTICA TIPOLOGIE E TECNOLOGIE Sinossi raticamente tutti i polimeri termoplastici trovano P applicazioni anche come materiali additivati con polveri inorganiche come carbonato di calcio o solfato di bario, microsfere e fibre di vetro corte, nerofumo e fibre corte di carbonio, ecc. Le cariche sono aggiunte a volte per aumentare le prestazioni meccaniche, ma molto spesso per ragioni economiche o funzionali (modifica della conducibilità termica/elettrica, delle proprietà barriera, del colore/trasparenza, ecc.). Questi materiali trovano diffuse applicazioni in ambito industriale e in prodotti di largo consumo; le loro caratteristiche e prestazioni sono determinate prevalentemente dalle matrici; vengono lavorati con le comuni tecnologie dei polimeri e per questo sono solitamente considerati come polimeri caricati, piuttosto che come compositi veri e propri. Negli anni 80 e 90, a seguito dello sviluppo di polimeri termoplastici con alte prestazioni è nato un forte interesse, soprattutto da parte dell industria aerospaziale, per l impiego di matrici termoplastiche anche nei compositi avanzati. Nonostante gli sforzi e gli investimenti, tuttavia, esistono solo poche applicazioni di compositi termoplastici con fibre continue o tessuti in gran parte a causa delle maggiori difficoltà tecnologiche rispetto ai compositi a matrice termoindurente. Nel seguente capitolo vengono esaminati i vantaggi derivanti dall impiego delle matrici termoplastiche e le principali tecnologie adottate nella loro produzione Le matrici termoplastiche avanzate ra le numerose matrici termoplastiche considerate T inizialmente per la produzione di compositi di alte prestazioni per impieghi aeronautici solo poche hanno trovato successo commerciale. Alcune delle più importanti sono indicate in Tabella 40.1 e sono già state presentate nel Cap. 28. Tabella 40.1 Principali matrici termoplastiche per compositi. Polimero Resistenza (MPa) Modulo elastico (MPa) Tg, Tm ( C) Tenacità (Izod) (J/cm) PP , 165 0,64 PPS , 285 0,32 PEEK , 340 0,53 PES , - 0,90 PEI , - 0,27 LCP ( Vectra ) (100), Polipropilene (PP), polietere-eterechetone (PEEK), polifenilen-solfuro (PPS), polimeri liquido-cristallini (LCP), sono termoplastici semi cristallini, mentre polietere immide (PEI) e polietere sulfone (PES) sono G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 1 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

2 amorfi. Le matrici con più elevate prestazioni termiche e meccaniche sono comunemente impiegate anche con rinforzi a fibra continua in vetro o carbonio, mentre PP trova largo impiego nell industria automobilistica con rinforzi in vetro a fibra discontinua (GMT - glass mat reinforced thermoplastic). Le matrici termoplastiche amorfe, come PES e PEI sono caratterizzate da alta deformabilità e tenacità. Le matrici semicristalline possiedono cristallinità del % (ad es. PEEK) o superiori (ad es. PPS). Una maggiore frazione cristallina comporta superiore resistenza, resistenza a creep, modulo elastico, densità, resistenza a solventi, ma solitamente minore tenacità. Nei compositi, la cristallinità è influenzata sia dalla velocità di raffreddamento dal fuso che dalla presenza delle fibre. Fasi cristalline possono nucleare a partire dalla superficie delle fibre, particolarmente a basse velocità di raffreddamento, variando la cristallinità finale e generando strutture particolari che possono avere influenza sulle caratteristiche generali del composito (Figura 40.1). La Figura 40.2 mostra la dipendenza della cristallinità della matrice in un composito PEEK/carbonio al variare della velocità di raffreddamento dal fuso. Figura 40.1 Nucleazione di sferuliti di PEEK su fibre di carbonio (immagine SEM). Figura 40.2 Cristallinità di PEEK in laminati compositi al variare della velocità di raffreddamento. Analizzando le principali differenze tra matrici termoindurenti e termoplastiche dal punto di vista dei processi di lavorazione, va considerato che le matrici termoindurenti reticolano a partire da una condizione di fluido viscoso; formano legami forti tra le catene polimeriche, inizialmente a basso peso molecolare, incrementando la loro viscosità fino a diventare, nello stato reticolato, un solido rigido, resistente e generalmente fragile. I termoplastici sono resine ad alto peso molecolare, portate a fusione e rammollimento per riscaldamento, le cui molecole interagiscono per effetto di legami secondari deboli. A causa dell elevato peso molecolare, la viscosità dei termoplastici durante il processo è di ordini di grandezza superiore a quella dei termoindurenti ( Poise contro decine di Poise nei termoindurenti). Poiché i legami secondari sono reversibili, i compositi a matrice termoplastica, diversamente dai termoindurenti, consentono processi di formatura che possono richiedere riscaldamenti ripetuti (ad esempio termoformatura, giunzioni per saldatura). Sebbene in linea di principio il termoplastico possa essere processato ripetutamente numerose volte, nella pratica la degradazione progressiva ne riduce l effettiva rilavorabilità e il materiale riprocessato può essere solitamente riciclato per impieghi con requisiti inferiori. La struttura non reticolata dei termoplastici li rende in generale molto più tenaci dei termoindurenti e questa caratteristica si riflette sui corrispondenti compositi. Lo sviluppo di metodi di tenacizzazione con gomma o con additivi termoplastici ha tuttavia consentito di portare anche la tenacità di sistemi termoindurenti a livelli confrontabili con quelli dei termoplastici. I compositi termoplastici possono essere consolidati e formati in tempi molto rapidi, dell ordine dei minuti o dei secondi, in quanto, a differenza dei termoindurenti, non ci sono reazioni chimiche in gioco. D altra parte i preimpregnati sono solidi, non presentano appiccicosità (tacking) e risultano di più difficile laminazione. Inoltre, compositi termoplastici avanzati richiedono temperature di consolidamento e formatura decisamente superiori ( C) rispetto ai comuni laminati a matrice epossidica; questo rende le operazioni di processo più complesse e impone l impiego di attrezzature e materiali di consumo idonei a tali temperature elevate. I termoplastici, peraltro, non presentano solitamente problemi di emissioni nocive in corso di lavorazione, non richiedono particolari modalità o limitazioni di conservazione in magazzino e presentano assorbimento di umidità ridotto. Alcune matrici termoplastiche, soprattutto amorfe, mostrano suscettibilità a crazing e cracking per effetto di solventi organici (in particolare clorurati) che possono degradarne fortemente le caratteristiche. Con i termoplastici sono possibili tecniche di giunzione per fusione e saldatura, oltre che per giunzione meccanica e incollaggio. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 2 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

3 Diverse matrici per alte prestazioni a base poliimmidica sono classificate come pseudo termoplastiche poiché sono soggette ad aumento del peso molecolare e parziale reticolazione durante il processo. Questi materiali (ad esempio Avimid K di DuPont) sono disponibili sia nella forma a basso che ad alto peso molecolare. Nella forma a basso peso molecolare i loro prepreg possono essere lavorati con tecnologie simili a quelle impiegate con i termoindurenti, anche se con temperature e pressioni superiori a causa della maggiore viscosità Semilavorati e consolidamento dei laminati compositi termoplastici vengono prodotti a partire I da semilavorati in diverse forme. In questi semilavorati le fibre, continue o discontinue, sono interdisperse con il polimero termoplastico in forma di solido continuo, oppure polvere o fibre (Figura 40.3). Nastri unidirezionali, tessuti, fasci di fibre impregnati con matrici termoplastiche sono rigidi, scarsamente lavorabili e non presentano appiccicosità a bassa temperatura. Nel caso di matrici semicristalline, di difficile o impossibile solubilizzazione in solvente, il processo è più complesso e richiede l impregnazione allo stato fuso (hot melt). Anche ad alta temperatura, la viscosità delle matrici termoplastiche è superiore di diversi ordini di grandezza rispetto a quella dei termoindurenti e l impregnazione è notevolmente più difficoltosa. Una tecnica alternativa è costituita dal powder coating, con il quale polveri di polimero sono introdotte tra le fibre (solitamente di carbonio) mediante un letto fluidizzato (Figura 40.4). La polvere polimerica viene caricata elettricamente e fluidizzata mediante una circolazione di aria ionizzata mentre i fasci di fibre sono aperti e scaricati a terra per raccogliere la polvere carica. I fasci vengono poi impiegati per ricavarne tessuti drappabili. Un altro metodo per ottenere mat e tessuti drappabili consiste nel mescolare o co-intrecciare fibre di rinforzo con una quantità definita di fibre polimeriche. Polvere o fibre polimeriche vengono a costituire la matrice del composito nelle successive fasi di fusione e consolidamento. Va considerato che la qualità della distribuzione delle fibre di rinforzo ottenuta con queste ultime tecniche è solitamente inferiore rispetto a quella ottenuta mediante impregnazione in fase liquida (con solvente o hot melt); disomogeneità di fibre e pieghe sono difetti comuni durante la laminazione e il consolidamento. Figura 40.4 Impregnazione con matrice termoplastica mediante powder coating. Figura 40.3 Preimpregnati compositi termoplastici. Resine amorfe, come ad esempio PEI, possono essere solubilizzate in solvente per formare preimpregnati in modo simile ai termoindurenti. Il solvente, tuttavia, deve essere eliminato completamente prima del processo di laminazione e consolidamento; tracce di solvente residuo agiscono da plasticizzante riducendo la Tg della resina e le prestazioni del composito. Il consolidamento dei termoplastici consiste nel riscaldamento, compattazione degli strati e raffreddamento (Figura 40.5). La fase di formatura può essere contemporanea al consolidamento o può essere condotta successivamente. Il riscaldamento viene condotto tramite pannelli riscaldanti ad infrarossi, per convezione o per contatto con piastre calde. La temperatura di consolidamento sarà superiore alla Tg, per i polimeri amorfi, o Tm per i polimeri cristallini. In generale, a causa della maggiore G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 3 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

4 viscosità, la temperatura dovrà essere almeno C superiore a Tg nei materiali amorfi mentre sarà di 100 C o meno superiore a Tm nei semicristallini. Figura 40.5 Evoluzione di temperatura e pressione durante il consolidamento di un laminato composito termoplastico. Il tempo necessario al consolidamento dipende sia dal materiale che dalla forma del preimpregnato; fogli preimpregnati per via liquida (hot melt) possono essere consolidati in pochi minuti, mentre tessuti impregnati a polvere o fibre co-intrecciate richiedono tempi molto superiori, di parecchie decine di minuti, per permettere il flusso di resina fusa tra le fibre di rinforzo. Una tecnica di consolidamento e formatura prevede la sovrapposizione alternata di strati di fibre o tessuto e film polimerico; la necessità di fusione e flusso della matrice richiede tempi di consolidamento ancora più lunghi, che raggiungono comunemente l ora. Nel caso di matrici semicristalline, una velocità di raffreddamento eccessiva, in particolare in corrispondenza della cristallizzazione, può influire sulla cristallinità finale e sulle prestazioni del composito. Durante il raffreddamento, la pressione di consolidamento è mantenuta fino a che la temperatura scende ben al di sotto della Tg del polimero. Questo al fine di evitare la formazione di vuoti, fenomeni di recupero elastico delle fibre e per mantenere le dimensioni richieste. La pressione ha la funzione di portare a contatto gli strati e di favorire il flusso della resina fusa tra le fibre. Il consolidamento avviene per interdiffusione del polimero tra i diversi strati, così da generare una matrice continua. Sebbene l interdiffusione avvenga a seguito di riscaldamento allo stato fuso (sopra Tg o Tm), la pressione elevata e la deformazione degli strati favoriscono la compattazione e riducono i tempi di consolidamento. Ancora a causa della maggiore viscosità, le matrici amorfe richiedono solitamente tempi e pressioni di consolidamento superiori. La Figura 40.6 mostra le fasi e la variazione di spessore durante il consolidamento di un laminato. Figura 40.6 Fasi del consolidamento di un laminato composito termoplastico. Esistono diverse metodologie di consolidamento di laminati termoplastici. Laminati piani possono essere preconsolidati per essere formati successivamente; la Figura 40.7 mostra due modalità di consolidamento in pressa di pannelli piani in composito. Nel consolidamento in pressa le lamine sovrapposte sono preriscaldate e immediatamente pressate tra piani freddi o tra piani riscaldati se la matrice richiede un controllo del flusso di resina o della cristallinità. Anche in questo caso, come nei termoindurenti, la laminazione viene effettuata solitamente in modo manuale. Poiché gli strati non sono appiccicosi e non aderiscono tra loro, durante la sovrapposizione possono venire saldati sui bordi con ferro caldo o tramite saldatura a ultrasuoni per mantenere la loro posizione. Mediante la pressa a doppio nastro è possibile effettuare il consolidamento in continuo di prepreg in composito termoplastico. Lungo in passaggio in pressa avvengono in sequenza le fasi di riscaldamento e raffreddamento del laminato. Questa tecnica viene impiegata prevalentemente per alti ratei produttivi, come ad esempio nella produzione di laminati in polipropilene rinforzato con mat in fibra vetro per componenti automobilistici (paraurti, elementi di carrozzeria, coperture sottocofano). Il consolidamento di parti di geometria complessa mediante sacco a vuoto/autoclave è possibile anche per i termoplastici, peraltro con maggiori difficoltà rispetto ai termoindurenti legate alle più severe condizioni necessarie per il consolidamento: temperature superiori a 350 C e pressioni superiori a 10 bar sono spesso necessarie nei compositi termoplastici avanzati. La disponibilità di un autoclave idonea, la necessità di stampi in materiali in grado di sostenere le temperature richieste e con bassi G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 4 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

5 coefficienti di dilatazione termica (per evitare eccessive variazioni dimensionali durante il processo), la necessità di materiali di consumo per alte temperature (ad esempio sacchi a vuoto in poliammide Kapton, sigillanti siliconici, bleeder/breather in fibra di vetro), la maggiore difficoltà di preparazione del laminato e del sacco a vuoto, limitano sensibilmente l impiego di questa tecnica sia per motivi di tempi di produzione che di costo di materiali e attrezzature. Nella produzione di compositi in PEEK/carbonio, ad esempio, sebbene il tempo effettivo di consolidamento sia dell ordine di 5-30 minuti, la necessità di riscaldare stampi voluminosi e pesanti porta i tempi dei cicli a parecchie ore. Ciò nonostante la tecnica resta unica nella produzione di componenti con particolare complessità. La Figura 40.8 mostra la configurazione di laminazione in sacco a vuoto per i termoplastici. filament winding, fiber placement, tape placement. La Figura 40.9 mostra due tecniche di autoconsolidamento in cui il riscaldamento per conduzione o mediante sorgente laser nella zona di contatto permettono la fusione localizzata del polimero. Il riscaldamento può avvenire anche mediante torcia a gas, riscaldatore a infrarossi, lampada al quarzo. A condizione che sia garantito il contatto tra le lamine, il tempo necessario per il consolidamento può essere ridotto a meno di un secondo. Questo rende il materiale meno suscettibile a fenomeni di degradazione termica rispetto a processi che richiedono più lunghi tempi di riscaldamento. Un imperfetto contatto comporta l inglobamento di vuoti, la cui eliminazione può richiedere ulteriore compattazione. In ogni caso, la produttività di questi processi è notevolmente superiore a quella delle tecniche a sovrapposizione manuale. Figura 40.7 Tecniche di consolidamento in pressa di pannelli piani. Figura 40.9 localizzato. Consolidamento mediante riscaldamento Figura 40.8 Configurazione di laminazione con sacco a vuoto per compositi termoplastici. Processi di autoconsolidamento, mediante riscaldamento localizzato nella sola zona di contatto, permettono l utilizzo di diverse tecniche tra le quali 40.3 Termoformatura a termoformatura di compositi termoplastici segue le L metodologie sviluppate per i polimeri termoplastici e per la formatura di lamiere metalliche. Va considerato che nel caso di laminati rinforzati con fibre continue, a differenza della formatura di polimeri e metalli, non sono consentite deformazioni normali nel piano del laminato, ma solo deformazioni flessionali e, in misura limitata, deformazioni di scorrimento (taglio); in caso contrario si avrebbero difetti severi, quali rotture e/o buckling di fibre, pieghe permanenti, separazioni tra gli strati. Un tipico processo di termoformatura di un composito prevede il preconsolidamento degli strati e la formatura del laminato riscaldato a temperatura superiore a Tg otm G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 5 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

6 in pressa a piani caldi (Figura 40.10). Il componente stampato deve essere mantenuto in pressione fino a raffreddamento sotto Tg per ridurre tensioni residue e deformazioni indesiderate. tipicamente di 7-35 bar, anche se alcuni processi di idroformatura possono raggiungere 600 bar. Nella termoformatura la matrice deve trovarsi a temperatura superiore a Tg (o Tm nel caso di matrici semicristalline); per questo è necessario che il trasferimento dalla stazione di riscaldamento e la chiusura della pressa avvengano in tempi rapidi, solitamente di pochi secondi. Figura Fasi di termoformatura di un componente strutturale in PEEK/carbonio. Il metodo più diffuso per il riscaldamento della lastra preconsolidata è mediante pannelli radianti a infrarossi. Tecniche alternative, utilizzabili anche per il riscaldamento del pacco di lamine da termoformare, sono metodi convettivi, ad esempio con l uso di getti di gas caldo. La formatura mediante l impiego di stampo e controstampo in metallo è in genere sconsigliata per i maggiori costi e per il fatto che, data la rigidezza sia degli stampi che del laminato, ne risultano facilmente disomogeneità nell applicazione della pressione. L impiego di un semistampo con cuscino in gomma o interamente in gomma, tipicamente siliconica, consente di rendere omogenea la distribuzione della pressione; lo stampo in gomma può essere semplicemente un blocco piano oppure sagomato nella forma da ottenere (Figura 40.11). Mediante idroformatura, la pressione viene applicata mediante una membrana elastomerica che si conforma ad un semistampo per l azione di un fluido pressurizzato. Le pressioni di termoformatura sono Figura Termoformatura mediante stampo elastomerico. Durante la formatura avvengono diversi fenomeni di flusso: la percolazione della resina attraverso il letto di fibre, il flusso trasversale dovuto alla compressione del laminato, lo scorrimento relativo degli strati, lo scorrimento relativo delle fibre all interno del singolo strato (Figura 40.12). La percolazione è il flusso di resina attraverso il letto di fibre che permette l incollaggio tra gli strati; il flusso trasversale consente di accomodare lo spessore schiacciando gli strati per effetto della pressione applicata. Il flusso della resina in direzione trasversale alle fibre è più difficile rispetto al flusso parallelo e tende a modificare l allineamento delle fibre stesse. Gli scorrimenti tra gli strati e intra-strato sono necessari nella termoformatura e consentono di evitare rotture di fibre, buckling e pieghe. La Figura mostra come in funzione del modo di formatura e della forma da ottenere possano essere necessari alcuni o tutti questi meccanismi di flusso; ad esempio, la formatura di componenti piani o debolmente curvi richiede solamente percolazione e flusso trasversale, mentre la formatura di elementi a doppia curvatura richiede tutti e quattro i meccanismi di flusso. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 6 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

7 quindi messo in pressa o in autoclave, riscaldato sopra la temperatura di fusione della matrice e posto in pressione (solitamente 3-10 bar per 1-6 ore). La lenta pressurizzazione consente di evitare buckling delle fibre ed ottenere consolidamento e formatura del componente. I materiali dei diaframmi sono film monouso di alluminio superplastico o di poliammide. Figura Meccanismi di flusso nella termoformatura di laminati compositi. Figura Termoformatura con diaframma di laminati in PEEK/carbonio. Figura Meccanismi di flusso in diverse modalità di formatura. Molti altri processi sono stati valutati per la produzione di componenti strutturali in composito termoplastico; tra questi la pultrusione, l avvolgimento, il roll-forming. La Figura mostra uno schema di roll-forming di un profilo continuo a partire da un laminato preconsolidato, riscaldato sopra la sua temperatura di fusione. Le fibre di rinforzo (solitamente carbonio o vetro) in una resina termoplastica viscosa sono molto resistenti in tensione, ma possono piegarsi e spezzarsi se poste in compressione; quindi il componente da formare o lo stampo devono essere progettati in modo da tenere le fibre in tensione ma allo stesso tempo in modo da consentire il loro scorrimento relativo. Se necessario, può essere impiegato un telaio di supporto esterno allo stampo con la funzione di regolare la tensione su fibre o tessuti. Questi telai possono essere semplici elementi di fissaggio, oppure complessi sistemi dotati di molle di regolazione delle tensioni locali. La termoformatura con diaframma è una tecnica flessibile, in grado di produrre componenti con complessità geometriche maggiori rispetto alla formatura in pressa (Figura 40.14). In questo processo il pacco di lamine non consolidate, per consentire un facile scorrimento, oppure il laminato preconsolidato, sono posti tra due diaframmi flessibili e posti sotto vuoto per eliminare l aria tra le lamine. Il tutto viene Figura continuo. Schema di roll-forming di un profilato Le Figura e Figura mostrano due esempi di impieghi strutturali di compositi termoplastici in ambito aeronautico. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 7 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

8 Figura Elemento strutturale del pavimento di Gulfstream 550 e 650 (Fokker) in PEI/carbonio/sandwich. durante l operazione di giunzione, in mancanza di un adeguata pressione di contatto. Con la saldatura dual resin bonding, un film termoplastico con temperatura di fusione inferiore viene interposto nella zona di saldatura. Ad esempio, uno strato di PEI amorfa viene interposto tra due laminati in PEEK/carbonio durante la saldatura (Figura 40.18). Per ottenere i migliori risultati, film di PEI vengono preventivamente saldati sulle superfici dei laminati in PEEK/CF da giuntare. La minore temperatura di saldatura previene i problemi di delaminazione nei laminati a base PEEK. Questi processi vengono impiegati soprattutto per la giunzione di superfici estese, come ad esempio la saldatura di strutture di irrigidimento a pannelli. Figura Bordi alari di Airbus A380 in composito PPS/vetro Tecniche di giunzione no dei vantaggi importanti dei compositi U termoplastici è la grande varietà di possibili tecniche di giunzione. I compositi termoplastici possono essere collegati con le convenzionali tecniche di incollaggio e giunzione meccanica (chiodature, viti e bulloni) ma anche con diversi metodi di saldatura (per fusione, a resistenza, a ultrasuoni, a induzione, ecc.). L incollaggio dei termoplastici risulta solitamente meno efficiente rispetto ai termoindurenti a causa della natura chimica, generalmente poco polare e poco rattiva delle superfici. Trattamenti superficiali, ad esempio di attacco acido o alcalino, trattamenti al plasma o corona, l impiego di appretti silanici, migliorano l efficienza adesiva, ma con limiti negli impieghi a lungo termine. L accoppiamento meccanico avviene in modo analogo ai compositi a matrice termoindurente con risultati di efficienza molto simili. La saldatura per fusione, mediante riscaldamento sopra Tg per le matrici amorfe o Tm per quelle semicristalline, produce giunzioni con resistenza praticamente pari a quella della resina. I lembi da saldare vengono sovrapposti e portati alla temperatura di fusione applicando una pressione di contatto ed, eventualmente, interponendo un film di matrice per regolarizzare le asperità superficiali. Problemi di saldatura possono nascere a seguito di delaminazioni Figura Dual resin bonding di pannelli in PEEK/carbonio con film in polietereimmide (PEI). La saldatura per resistenza prevede l utilizzo di uno strato di carbonio come resistenza elettrica o di un resistore metallico interposto tra le superfici da saldare (Figura 40.19). Lo strato di carbonio presenta il vantaggio di non impiegare materiali estranei nella zona di giunzione; d altra parte la resistenza metallica fornisce una maggiore efficienza riscaldante. Materiale di apporto, costituito da un film della stessa matrice e l applicazione di pressione di contatto (7-15 bar) durante il ciclo di saldatura, fino a raffreddamento sotto Tg, garantiscono saldature efficienti in tempi ridotti (0,5-5 min). Figura Metodi di saldatura per resistenza. La saldatura a ultrasuoni è normalmente impiegata per la giunzione di termoplastici non rinforzati e può essere G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 8 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

9 impiegata anche per compositi termoplastici avanzati. Una sonda produce energia vibratoria ad ultrasoni (20-40 khz) che viene trasmessa per contatto ad un elemento laminato da saldare, mentre l altro elemento è mantenuto stazionario, eventualmente con un film di matrice di apporto (Figura 40.20). Il riscaldamento per attrito tra le due superfici determina la fusione nella zona di contatto tra i due elementi da saldare. La presenza di asperità superficiali consente di concentrare l energia meccanica in punti localizzati favorendo la fusione. Il tempo, la pressione di contatto, l ampiezza della vibrazione, controllano l efficienza e la qualità della saldatura, che avviene in pochi secondi. Figura Saldatura a induzione. Figura Confronto tra la resistenza di diverse tipologie di giunzioni single lap. Figura Saldatura a ultrasuoni. La saldatura ad induzione, simile alla saldatura per resistenza, opera il riscaldamento per effetto di corrente alternata indotta nel materiale da saldare e generata da un circuito di induzione (Figura 40.21). La presenza di materiale, come maglie in ferro, nichel, rame o carbonio, tra le superfici può aumentare la suscettibilità e l efficienza del riscaldamento. La saldatura avviene in tempi dell ordine di 5-30 min con pressioni di contatto di 3-15 bar. Anche in questo caso può essere impiegato un film di matrice di apporto. Un confronto tra l efficienza di giunzioni single-lap con diverse tecniche mostra come l incollaggio adesivo risulti poco resistente e molto sensibile alle modalità di preparazione superficiale (Figura 40.22). Tecniche di fusione (autoclave co-consolidate) danno risultati prossimi al materiale originale (autoclave molded). Tipicamente, saldature per induzione e resistenza forniscono risultati simili e superiori alla saldatura a ultrasuoni. Figura Timone di Gulfstream 650 in PPS/carbonio. Le diverse parti sono saldate per induzione a formare in componente unico. La Figura mostra un esempio di componente strutturale aeronautico in composito a matrice termoplastica. Il timone di Gulfstream 650 (Fokker) è ottenuto mediante assemblaggio e saldatura ad induzione di numerosi sottocomponenti in PPS/carbonio G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 9 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

10 Bibliografia [1] Brent Strong, A., Plastics - Materials and Processing Prentice-Hall, 1996 [2] Campbell F.C. Manufacturing Processes for Advanced Composites Elsevier, 2003 [3] Campbell F.C. Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials Elsevier, G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 10 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano