Tecnologia di formatura in autoclave

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1 POLITECNICO DI MILANO Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Corso di Tecnologie Aeronautiche Docente: Giuseppe Sala Tecnologia di formatura in autoclave Paolo Bettini tel

2 Fibre, Matrice, Prepreg Stratificazione Lamina o Laminazione Laminato Fibre + matrice Laminazione a umido (Wet lay-up) Deposizione strato fibre e successiva impregnazione (per forme complicate o polimerizzazione a freddo) Laminazione a secco (Dry lay-up) Impregnazione strato fibre e successiva deposizione. Pre-preg

3 Fibre, Matrice, Prepreg Prepreg: fibre UD o tessuti + matrice termoindurente (minore viscosità) Impregnazione con solventi Stazione essicazione (elimina il solvente) Bobina fibre secche Stazione impregnazione (Bagno di resina + solvente) Laminatore Pellicole protettive Bobina prepreg

4 Fibre, Matrice, Prepreg Prepreg: fibre UD o tessuti + matrice termoindurente (minore viscosità) Impregnazione a caldo (per trasferimento) Bobina fibre secche Film resina Laminatore (Rulli riscaldati) Pellicole protettive Bobina prepreg

5 Fibre, Matrice, Prepreg Problematiche dell impregnazione: Evitare eccedenze/carenze locali di una delle 2 fasi (fibra, matrice); Evitare soffiature (bolle d aria inglobate nella matrice); Evitare danneggiamento bordi. Semilavorato: Materiali utilizzati (Carbonio, Kevlar, Vetro); Bobine UD e Tessuto (tipicamente Larghezza = 300, 600, 1000mm, Lunghezza > 50m); Nastri UD (Larghezza da pochi millimetri fino a 300mm, Lunghezza > 50m). Parametri che caratterizzano il prepreg: (indicatori dello stato di invecchiamento della resina) Gel time; Appiccicosità (Tack level); Formabilità (Drape); Viscosità; Contenuto di resina (tipicamente 40 45% in volume).

6 Fibre, Matrice, Prepreg

7 Fibre, Matrice, Prepreg Vantaggi del Prepreg: Contenuto matrice + controllato e migliore distribuzione matrice; Spessore lamina uniforme; Ottima drappabilità; Fasi di taglio e deposizione facilmente automatizzabili. Svantaggi del Prepreg: Conservazione: (Matrice bi-componente già miscelata) shelf life limitata (viscosità); cella a -18 C (si rallenta la polimerizzazione); sacchi sigillati (evitare umidità); Fasi di taglio e deposizione delicati (difficile mantenere la forma della lamina); NO riparazioni sul campo; NO polimerizzazione a freddo.

8 Il processo produttivo si divide in 3 fasi: 1. TAGLIO (lamine) CLEAN-ROOM 2. LAMINAZIONE (deposizione lamine e preparazione sacco da vuoto VACUUM BAG) Ambiente sterile ove si controllano T, P, U% 3. POLIMERIZZAZIONE AUTOCLAVE

9 CLEAN -ROOM

10 TAGLIO Taglio manuale Taglio assistito dal computer Taglio completamente manuale mediante dime, sagome Problemi: precisione, ripetibilità, bassi volumi produttivi. Taglio completamente automatizzato su tavoli con sistema di depressione (materassino forato in nylon o polipropilene) e percorso utensile (sistema cad-cam) per minimizzare sfridi. Lama in acciaio o carburo di silicio a moto alternato ad alte frequenze: Il moto della lama è realizzato con un sistema a ultrasuoni che produce energia vibratoria. Laser: E molto preciso ma produce una zona termicamente alterata. Water jet: è molto preciso e non produce polvere dalle fibre, può comportare assorbimento di umidità.

11 TAGLIO Macchina a controllo numerico

12 LAMINAZIONE Laminazione manuale su stampo; necessità riscontri; accuratezza deposizione; compattazioni intermedie ogni 4/5 lamine. Laminazione meccanicamente assistita macchina taglia; lamine movimentate per aspirazione; operatore effettua deposizione su stampo.

13 TAGLIO E LAMINAZIONE NASTRI UD Laminazione manuale Automatica assistita manualmente Completamente automatica (la macchina svolge il nastro, lo taglia e lo deposita). SISTEMI INTEGRATI (Integrated Laminating Center) Nastri accostati sono equivalenti a un unica lamina perché le strisce vengono unite dalla resina durante la polimerizzazione.

14 Formatura in autoclave SACCO DA VUOTO (VACUUM BAG) Peel-ply (tessuto vetro o nylon): a contatto col laminato dà finitura superficiale per incollaggi e protegge laminato fino all utilizzo. Separatore microforato (teflon): permette il distacco dal peel-ply di tutte le altre pellicole. Bleeder (tessuto di vetro): assorbe resina in eccesso.

15 Formatura in autoclave SACCO DA VUOTO (VACUUM BAG) Breather (tessuto vetro o nylon): è come una membrana osmotica, permette la fuoriuscita di acqua, aria e volatili, consente di fare il vuoto su tutto lo stampo; Dam (metallo o silicone): cornice evita scorrimento fra lamine quando attrito diminuisce a causa della fluidità della resina necessaria per bagnare fibre); Vacuum Bag (nylon o kapton): notevole estensibilità e resistenza alte temperature.

16 SACCO DA VUOTO (VACUUM BAG)

17 POLIMERIZZAZIONE

18 POLIMERIZZAZIONE

19 POLIMERIZZAZIONE Autoclave: è un serbatoio in pressione isolata termicamente in cui si regolano Pressione, Temperatura e Vuoto nel sacco. E dotato di: sistema di riscaldamento e circolazione dell aria (a 1 3 m/s); sistema di raffreddamento (scambiatori di calore ad acqua); sistema di pressurizzazione; pompa da vuoto per il sacco; sistema di controllo con termocoppie e prese di pressione statiche per controllo feedback; quadro di controllo (nelle autoclavi moderne è gestito da PC); sistema di movimentazione: carrello per trasportare sacco (in autoclavi di grandi dimensioni la movimentazione è motorizzata).

20 POLIMERIZZAZIONE Autoclave: è un serbatoio in pressione isolata termicamente in cui si regolano Pressione, Temperatura e Vuoto nel sacco. Note: Atmosfera all interno dell autoclave può essere: aria (generalmente per i termoindurenti e resine fino a 200 C) azoto (poco usato perché costoso) anidride carbonica (poco usata perché pericolosa); L azione della pompa da vuoto è indispensabile per la compattazione perché pressione esterna è isotropa e non compatta.

21 POLIMERIZZAZIONE Autoclave: è un serbatoio in pressione isolata termicamente in cui si regolano Pressione, Temperatura e Vuoto nel sacco. E importante seguire il ciclo di polimerizzazione prescritto (vedi datasheet) Eventuali variazioni possono essere fatte esclusivamente osservando la curva di viscosità della resina. Un ciclo non corretto può comportare: Non completa polimerizzazione resina Non completa distribuzione resina Scarsa compattazione laminato Diminuzione caratteristiche meccaniche Maggiore igroscopicità

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25 POLIMERIZZAZIONE Ciclo di polimerizzazione 160 3,5 3 2, Temperatura [ C] 80 Temperatura Pressione 1,5 1 0,5 Pressione [bar] 40 Vuoto 0-0, Tempo [min] -1,5

26 POLIMERIZZAZIONE Reg Temperatura [ C] Reg. 3 Reg. 5 EV. 2 EV EV Reg. 1 Reg Tempo [min]

27 POLIMERIZZAZIONE 3,5 3 Reg. 4 EV. 7 2,5 Pressione [bar] 2 1,5 EV. 6 Reg. 3 Reg ,5 0 EV. 4 Reg. 1 Reg. 2 EV Tempo [min]

28 POLIMERIZZAZIONE 0,1 0-0,1-0,2-0,3 Pressione [bar] -0,4-0,5-0,6 Reg. 1 EV. 8 Reg. 4-0,7 Reg. 2-0,8-0,9 Reg. 3 EV Tempo [min]

29 ESEMPIO

30 ESEMPIO

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32 ESEMPIO

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34 ESEMPIO

35 STAMPI E necessario fare molta attenzione a 3 aspetti: Inerzia termica (in ogni caso si mette termocoppia che controlla ciclo di autoclave sul pezzo); Espansione termica (è molto usata la lega di alluminio; CTE 13x10-6, carbonio 10-7 sforzi residui in raffreddamento); Deformabilità.

36 STAMPI E necessario fare molta attenzione a 3 aspetti: Inerzia termica (in ogni caso si mette termocoppia che controlla ciclo di autoclave sul pezzo); Espansione termica (è molto usata la lega di alluminio; CTE 13x10-6, carbonio 10-7 sforzi residui in raffreddamento); Deformabilità.

37 VANTAGGI E SVANTAGGI Vantaggi: Il semilavorato è il pre-preg Deformabilità, Drappabilità, ecc. Tolleranze e finiture superficiali ottime Ottima qualità (% garantita di fibre e resina) Facilità di progettazione Svantaggi: Basso rateo produttivo Costo elevato degli impianti Costo ciclo elevato (materiale di consumo per sacco non si riutilizza) In campo aeronautico è la tecnologia più utilizzata

38 Formatura in Pressa PRESSA A PIANI CALDI

39 PRESSA A PIANI CALDI ISOLANTE ( piastra 1) RISCALDAMENTO (piastra 3) INTERFACCIA PIASTRE-PISTONE RAFFREDDAMENTO (piastra 2) STAMPO (piastra 4) SPESSORE AGGIUNTO BASAMENTO

40 PRESSA A PIANI CALDI