PUNTI ESSENZIALI LEZIONE 5

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1 PUNTIESSENZIALILEZIONE5 Processidiproduzione (ingenerale) Deformazione Colata Stampoestampaggio Variabilidiprocesso Processidiproduzione deipolimeri Estrusione Tipidistampaggio Iniezione Tipidifluidiereologia Viscosità,leggediNewton Comportamentinonnewtoniani,perdite(tandelta) Plastici,pseudoplastici,dilatanti,tixotropici Processiinnatura Estrusione(es.,setadeiragni) Stampaggioadiniezione(es.,bisso) Tipidibio ispirazione(micro,macro,morfologica)

2 SIGNIFICATOIBRIDAZIONE L'ibridazione, cioè la creazione di materiali con diverse fasi e conseguenti interfacce, serve ad ottenere un materiale con delle proprietà (meccaniche, termiche, acustiche, elettromagnetiche, ottiche) non ottenibili con nessuno dei materiali originari (vedi diagrammidiashby). E' un processo simile a quanto si fa in botanica con gli innesti e gli incrocididiversepiante. L'ibrido è naturalmente un materiale più complesso, che si danneggia per esempio in modo molto vario e non facilmente prevedibile (es. compositi) Modididanneggiamentodiun materialecompositofibra matrice

3 METODIDIPRODUZIONE DEIMATERIALICOMPOSITI Impregnazionedellefibreelaminazioneinstampoaperto(hand lay up)conmatricitermoindurenti Stampaggioacompressione(compressionmoulding)conmatrici termoplastiche Stampaggio ad iniezione (injection moulding) con matrici termoplasticheaprofilodiviscositàcomplesso Resintransfermouldingperlastreoprofilidimaggioreprecisione Pultrusioneperprodottiasezioneprismatica Estrusionepertubi Filamentwindingperprofilicilindrici(es.bombole)

4 CARATTERISTICHEDAOTTENERE INUNCOMPOSITO Nosacchediresina Giustaimpregnazione Reologiadellaresina Nofibrescoperteopocoimpregnate (questolimitalaquantitàdifibreintroducibili) Profilodiviscositàecomportamentonoto (es.,tandelta,plasticità,tixotropicità) Premessanecessaria:compatibilitàtralefibreelamatrice (èdesiderabileanalogaoriginechimica,comenelcasodellegno)

5 PANNELLIINCOMPOSITO(fibreorientaterandom) Laproceduramenocostosapercreareunpannellocomposito (es.dilegnoconaltrefibrenaturali)èlacompressione dell'estrusoconuncollante(binder)perassicurarelatenuta. Inquestocasolefibresonocorte(pochimm)epossono esserepiùomenospesseebendistribuitenelcomposito. Ultimamente,sisonoproduconoanchepannelli senzabinderconfibrenaturalicomprimibili (legnose):es.cocco,kenafocanapa. Proprietà isolkenaf Isolkenaf(isolantetermico acustico)

6 MANIFATTURASTUOIECOMPOSITE Provinodimatdicanapa inresinaepossidica Lestuoiesonoprodotteconl'idea diintrodurrelamaggiorquantitàpossibile dirinforzoconbassocosto. Cisonounaseriedimaterialidilargouso infibradivetroprodottiinquestomodo, es.gmt(glassmatthermoplastic), SMC(sheetmouldingcompound), DMC(doughmouldingcompound). Quest'ultimacontieneanchecarbonatodicalcio comefillernaturale.

7 ALTREFORMEDIRIEMPIMENTO (FILLING)DIMATRICIPOLIMERICHE Fibredicheratina(dapiumedipollo) inpolipropilene Siailriempimentoconfibredicheratina,cheilriempimentocontalcorispondono adun'esigenzadismaltimentorifiuti(iltalcosièrivelatoidealeperassemblare scartidiresinetermoplastiche,oltrechecomeanti abrasivo),tuttaviailtrattamento chimiconelcasodellepiumedipolloèmoltopiùpesante(sanitizzazionecon ipocloritodisodio).recentemente,sisonoproposteanchelefibrecheratiniche dallepiumecomerinforzopermatricibiodegradabilipersupportipercircuitistampati (PCB:printedcircuitsboards).

8 ALTREVARIABILI: MESOSTRUTTURADEICOMPOSITI Strutturadimaterialicompositimisti(es.Twintex), conduetipidifibre,dicuiunaplastica(polipropilene) Tipidimaterialicomposititessuti (bilanciatiomeno) Passandoadeicompositiconproprietàsuperiori occorre,ofaredeilaminatiquasi isotropi constraticondiversaorientazione, otessereilrinforzo,oppuredisporreduediversi tipidifibre(compositimistiocompositiibridi)

9 ALCUNITIPIDICOMPOSITITESSUTI Woven Tramaeordito (2 D) Braided Fibreintrecciate (acodadicavallo) performarestrutture leggereefubolari Stitched Strutturaamagliecucita attraversotramaeordito conpossibilivarianti: Vanotatocheilsuccessomeccanicodell'operazioneditessituradipende dalfattochelefibreabbianodiametrocostante:perquestonelcasodelle fibrenaturalicisilimitaspessoallesolestrutture2 D

10 PARAMETRIDISTAMPAGGIODEICOMPOSITI (termoplastici) Tempodiriscaldamento Temperaturaimpostatasulforno (talechetuttalaresinasiaoltrelatemperaturadifusione) Tempoditrasferimentoforno pressa (datenerealminimoperevitaredifettinelmateriale) Temperaturadellostampo (disolitoacirca Cperevitarebruschiraffreddamenti) Pressionediconsolidamento (piùbassapericompositiafibreorientate,piùaltaperlestuoie confibrerandom) Tempodiapplicazionedellapressione

11 STAMPAGGIOACOMPRESSIONE: CONTROLLODELLATEMPERATURA Puòesserenecessarioilmonitoraggiodellatemperatura,tramite termocoppie,indiverseareedeiforniindustriali

12 STAMPIRISCALDATI PERSTAMPAGGIOACOMPRESSIONE Ciclodistampaggioacompressione peribridi commingled (vetro/polipropilene) Ibridicomplessivengonospessoricavatiodall'unionedilaminati afibreorientateedafibrerandom,oppureperesempiodalaminati afibredivetroefibrenaturali.questoconsentedimigliorareilrapporto traleproprietàedilcosto,anchesepuòleggermentecomplicare ilmetododiproduzione. L'impattoafinevitavainvecevalutatodacasoacaso.

13 STRUTTURACELLULARE,SIMMETRIA ELICOIDALEEADATTABILITA' Legno Sistemidiripiegamento(folding) deicompositi(tipomiura Ori) Adattamentoambientale Cellenelsughero equasi isotropia Allineamentomicrofibre nellacorazza(esoscheletro) degliartropodi Orientamentodellefibre nellafogliadiformium

14 COMPOSITIRIPIEGABILI Nelcasodeicompositilaripiegabilitàèmoltodifficile: questosignificacheperottenerecurvature sidevericorrereoafabbricazione constampoecontrostampodigrandeprecisione oaspessoriestremamentesottilicongeometrie particolari(es.forate,ecc.). Inognicasostrutturerealmentepieghevoli(foldable) sonostaterealizzatesoltantoperorasucompositi infibradicarbonio. L'adattabilitàdellestrutturevegetalinonèstatafinora sfruttataapienopericompositiinfibranaturale (mentreillegnoèpiegabile,seumidoedisposto inappositepreforme) Modellodipiegamento Riflettoreperantennapieghevole

15 ESEMPIDITECNOLOGIADELLEGNO Ciclodellegnodaltroncoaltruciolato (ammettendononsitrattidiprodottodiriciclo) Lostudiodeglianellidisviluppo,detto dendocronologia,dàun'ideadellastoria dell'alberodacuiillegnoèstatotagliato. Lelavorazionidellegnosonobasateosulmantenereilpiùpossibilela strutturadellefibreintattaosullatriturazioneelaformazioneditrucioli disposticasualmenteetenutiapressionee/oconcolle.

16 PRODUZIONEDIFIBREPOLIMERICHE a.meltspinning(filaturadelfuso),adattaperpolimerichefondonobene(poliestere,nylon) b.dryspinning(filaturainsoluzioneasecco)(peracetatodicellulosa,rayon) c.wetspinning(filaturaadumido)(perpoliuretani)

17 PRODUZIONEDEIBIOCOMPOSITI PERESTRUSIONE E'unatecnologiaparticolarmenteadatta peribiocompositi,quindicostituiti piùrecentementedapolimeriabasediamido (acidopolilatticoopolicaprolattone)confibre naturalidivariotipo,inparticolaredafusto, comelacanapaoillino. Lamaggiorpartedeibiocompositisonoperora afibrecorteconorientazionecasuale(random)

18 RESINTRANSFERMOULDING(RTM) Sistemadistampaggio IlsistemaRTMconsentedievitarelalaminazionemanualedeipolimeri termoindurenti.sisvolgeapressioneabbastanzabassa(spessodipoche atmosfere)oincerticasifacendoilvuoto,perridurrelapresenzadiaria, edatemperaturararamentesuperioreai C,marichiedenotevoli studireologiciperfarfluireilpolimeroattraversoillettodifibre,giàdisposte perlaconfigurazionefinale,equindipergarantireun'impregnazioneottimale.

19 PRODUZIONECOMPOSITOINSACCO (AVUOTO,APRESSIONE,INAUTOCLAVE) Sonotuttiprocessineiqualisicercadimigliorarelaqualitàdei laminatiottenuti,senzagrandiaumentidicostoeperpiccoleserie, ottenendounpiùadeguatoallineamentodellefibreperesempiocon lapreimpregnazionedellefibreoltrecheconlarullatura. E'crucialel'usodeldistaccante,datalasostanzialeaspecificitàdelle superficiutilizzate(disolitopuramentepiane).

20 FILAMENTWINDING Recipienteapressioneinfilamentwinding Calandratura (processooriginario infibradikevlar/epossidicasottoprova sulleplastiche) idraulica Ilfilamentwindingconsentediavereuncompositoquasi isotropo odanchepiùcomplesso,avvoltointornoadunrecipientediplastica stampato.l'ideadelfilamentwindingnascedallaregolazionedispessore ottenibileconlacalandratura,conladifferenzacheirullisonoutilizzati perscorrimentoenonperschiacciamento.

21 PULTRUSIONE Lapultrusionepermettedelleproduzioniincontinuo,lascelta disezioniditipodiverso(disolitotendenzialmenteprismatiche ocilindriche)edunacertaregolazionedeglispessoriemiglioramento dellaresistenzaarottura,specieinunadirezionepreferenziale. Lesezionipossonoessereanchecave,conlacondizioneessenziale chesianodeiprofiliestrudibili(tirabili:nonfilmsottili).

22 COMPOSITICONDIVERSEFUNZIONALITA' (es. bleedingcomposites o smartmaterials ) a. Sistemaautoriparante b. a. Sistema biomimetico con fibre cave (hollow fibres) al 50% randomefibrepiene b. Fuoriuscita del liquido fluorescente dalle fibre cave che mostra sottolampadauvildanneggiamentodelmateriale Lefibrecave,oppurelefibreottichenelcasodeglismartmaterials, dannol'indicazionedeldanneggiamento(inqualchecasolefibreottiche possonoanchefornireunariparazioned'emergenza),però disturbano fortementeladisposizionedelrinforzonelcomposito(essendodidiametro moltosuperioreallefibredivetro,dicarbonioodikevlarutilizzatedisolito)

23 ALTREPOSSIBILITA'SENSORIALINEICOMPOSITI Invecediintrodurredellefibreottichecondimensionimaggiori equindi destabilizzanti perilcomposito,èpossibileintrodurre normalifibredivetrotrattatepertrasportarelaluceinmodo efficienteallefrequenzed'interesseinmododavisualizzare peresempioildanneggiamentodopoimpatto,comequi. Questaèuna prassi seguitanormalmenteanchenelcaso dellanatura,peresempioilbozzolodelbacodasetariflette lefrequenzeluminosechenonservonoallosviluppodella larva,assorbendolealtre. a.formedelbozzolodel bacodaseta b.spettrodiriflessionedelle frequenzeluminose

24 DALLALUCEALCOLORESTRUTTURALE Strutturagerarchica diunafarfallacon colorestrutturale. Ilcolorestrutturale datodallenanoscaglie viene amplificato e diffusodallerugosità presentisullesuperfici, chesimilmenteaquanto avvienecolsuonodiuna seriedistrumenti musicaliaccordati traloro,danno un' interferenzacostruttiva.

25 VERSOLAPROTOTIPAZIONERAPIDA... Il primo approccio alla prototipazione rapida è stata l'introduzione dei torni e freseacontrollonumerico,chepermettevanodifornireun'esattadescrizione dell'operazione da compiere per tagliare l'oggetto (inizialmente metallico) nellaformavoluta La limitazione della prototipazione rapida, come la si utilizza ora, è che i programmiinformaticichelarendonopossibile,attraversolaripetizionedelle informazioni, non sono ancora totalmente consapevoli del contesto nel qualesitrovanoamuoversi(quindidell'ambienteincuil'oggettoprototipato dovràoperare) Il futuro della prototipazione rapida sarà dato dalla riproduzione esatta, non di un disegno, ma di un oggetto già esistente, il che significa che sarà contestualizzato. Quest'autoreplicazione, come implicata nel processo RepRap ( presuppone che vengano fornite istruzioni esatte sulla riproduzione e che chi la pratica disponga della tecnologia necessaria.perora,alcuniprodottidiquestogenerevengonoresidisponibili nell'ambitodeipezzimeccaniciedeiprodottialimentari.

26 STEREOLITOGRAFIA Scodelladafrutta(fruitbowl)costruitaperstereolitografiae sinterizzazionelaserselettiva(sls) LastereolitografiautilizzaresinapolimerizzabileconraggiultraviolettiedunLasera raggiultraviolettipercostruireunostratoallavoltadellaparterichiesta. Suognistrato,ilraggioLasertraccialasezionesullasuperficiedellaresinaliquida, poil'esposizionealraggiolaserpermettelapolimerizzazioneel'adesioneallostrato sottostante. Dopoiltracciamentodellasezione,lapiattaformascendedellospessorediuno strato(tra0.05e0.15mm)eripetel'operazione.

27 STEREOLITOGRAFIAEAUTOASSEMBLAGGIO (p.es.,abalone) Asinistra:sistemadiautoassemblaggioperstratificazionestereolitografica apartiredaunsubstrato(wafer)disiliciodimicrochipcon peli inepossidica perlamisurazionedelflussodivibrazioni. Adestra:autoassemblaggiodellastrutturaamattonidiaragonitecon malta proteinicadellacorazzadell'abalone

28 SINTERIZZAZIONELASERSELETTIVA(SLS) La"sinterizzazioneselettivaLaser"utilizzaunLaseradaltapotenza(peresempio adanidridecarbonica)perfonderepiccolequantitàpolverizzatedellasostanza chedeveprodurreilprototipo. Lequantitàvengonofuseinmodoselettivo,stratoperstrato,secondounpiano fornitodaunadescrizionetridimensionaledell'oggettoimplementatasulsistema Laser.

29 METODIDISTAMPAGGIOAGRANDEPRECISIONE Sonometodicheingeneralepermettonodiapplicaresusupportiditipodiverso,madi solitopolimericibiodegradabili(es.policaprolattone)strutturedidimensionenanometrica, finoallecellule(siparladi auto assemblaggiodisistemiibridi ).

30 DOMANDEDIRIFLESSIONE Devoscegliereseutilizzareperunprodottounmateriale puro (costituito, a meno di difetti, da una sola fase) ed un materiale ibrido (costituito da due o più fasi). Quali possono essere i vantaggiesvantaggidell'unoedell'altro. Qualisonoledifferenzeprincipalinell'impiegarecomerinforzodi uncompositounafibra tradizionale (vetro,carbonio,kevlar)od unafibravegetale? Quali possonoesserei principali motivipercui,producendoun laminatoplastico,lostampononsiriempiecompletamente? Sulle resine termoindurenti, quali sono i vantaggi di utilizzare l'rtm (Resin Transfer Moulding) rispetto alla laminazione a mano (spennellatura o colatura della resina in stampo aperto) perfabbricaredeimaterialicompositi?