Tecnologie di fabbricazione di materiali compositi

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1 Tecnologie di fabbricazione di materiali compositi Tessuto? Matassa continua di fibre di vetro Tessitura?

2 Tecnologie di fabbricazione di materiali compositi

3 Tecnologie di fabbricazione di materiali compositi Materiali compositi a matrice termoindurente Classificazione PROCESSI DISCONTINUI processi a pressione atmosferica lay-up (manual and/or spray-up) laminazione (manuale e/o a spruzzo) processi a bassa pressione vacuum bag molding stampaggio con sacco da vuoto autoclave vacuum bag molding stampaggio con sacco da vuoto in autoclave resin transfer molding stampaggio per trasferimento di resina processi ad alta pressione liquid resin press molding stampaggio a compressione con resina liquida press molding of preimpregnated fiber articles stampaggio a compressione PROCESSI SEMI-CONTINUI filament winding avvolgimento elicoidale rotation molding stampaggio rotazionale PROCESSI CONTINUI pultrusion pultrusione

4 Tecnologie di fabbricazione di materiali compositi Materiali compositi a matrice termoindurente - Classificazione PROCESSI WET FORMING (impregnazione fibra-matrice in situ ) lay-up (manual and/or spray-up) laminazione (manuale e/o a spruzzo) filament winding avvolgimento elicoidale pultrusion pultrusione vacuum bag molding stampaggio con sacco da vuoto resin transfer molding stampaggio per trasferimento di resina PROCESSI A BASE DI PREMISCELATI PREPREGS (SMC, BMC, prepregs) press molding of preimpregnated fiber articles stampaggio a compressione autoclave vacuum bag molding stampaggio con sacco da vuoto in autoclave

5 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro GEL COATING Presenza di fibre di vetro sulla superficie: finitura estetica inaccettabile. Gel coat (strato superficiale a copertura delle fibre di vetro): a) finitura superficiale superiore b) aumento della resistenza agli agenti chimici ed atmosferici c) adesione migliore rispetto ad una successiva verniciatura d) applicabile alle principali tecnologie di fabbricazione di materiali compositi Produzione: - applicazione (spray o manuale) di uno strato di resina (non contenente fibre, spessore µm) sulla superficie dello stampo - possibilità di addizione al gel coat di coloranti e/o cariche minerali (miglioramento della resistenza all abrasione) - parziale reticolazione del gel coat prima dell applicazione del sistema rinforzo-matrice (no rigonfiamento da parte di stirene o altri solventi, no penetrazione di fibre di vetro, adeguata adesione fra gel coat e strato composito)

6 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) Laminazione manuale - Hand lay-up metodo semplice minima richiesta di attrezzature adatto per produzione di manufatti di grandi dimensioni, per piccole serie, per stampi leggeri e per fibre di rinforzo termoplastiche massimo contenuto di fibra di vetro: 20-30% wt (mat) o 40-50% wt (tessuti) matrici adatte: resine poliestere insature (UP e VE) e resine epossidiche Procedura: Applicazione di un agente distaccante [e] sulla superficie dello stampo [f] Applicazione di un gel coat [d] e reticolazione parziale Applicazione di un primo strato di resina e di fibra di vetro (mat o tessuto) [a+b] (rimozione di bolle d aria fra gel coat e laminato) e parziale reticolazione (prevenzione dell ingresso di bolle d aria e dello spostamento del laminato [c] ) Applicazione di successivi strati di resina e di fibra di vetro Incorporazione di elementi addizionali in materiali diversi (nervature, filettature, ecc.) Applicazione (opzionale) di rivestimenti superficiali di finitura (gel coat interno) Applicazione di un film former (ad es. paraffina disciolta in stirene nel caso di resine poliestere insature) sulla superficie esterna per la protezione dall ossigeno atmosferico (superficie tack-free per reticolazioni a temperatura ambiente)

7 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Hand lay-up Basic cold-cure molding process a) Strand mat; b) Fabric; c) Mold; d) Mold stiffener; e) Mold release agent; f) Fine surfacing tissue

8 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Hand lay-up

9 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Hand lay-up Variabili che influenzano le proprietà meccaniche: rapporto resina/rinforzo tipo di resina forma e direzione del rinforzo contenuto di additivi (A) Tensile strength and (B) stiffness of various glass-polyester laminates as a function of fiber content: a) UD laminate; b) UD fabric; c) Balanced fabric; d) Chopped strand mat

10 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Hand lay-up

11 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Hand lay-up Esempi di prodotti Torretta d'aspirazione Basi ondulate Pista scivolo

12 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Hand lay-up Esempi di prodotti

13 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Fiber spray-up process processo manuale parzialmente automatizzato adatto per geometrie complesse resine poliestere insature Dopo applicazione di un gel coat, la miscela resina/fibre di vetro (tagliate, chopped) viene simultaneamente spruzzata sulla superficie dello stampo. Analogamente al processo manuale, il sistema viene rullato per compattare e degasare. Il mantenimento di spessori costanti richiede ablità ed esperienza dell operatore nelle fasi di spruzzo, compattazione e degasaggio. Fiber spray-up process a) Resin with hardener; b) Resin with accelerator; c) Roving reel; d) Compressed air inlet; e) Fiber cutting device; f) Spray gun; g) Mold Vantaggi: possibilità di preparare grandi lotti (batches) di resina attivata con una prolungata pot-life si evita la fase di taglio del mat in fibra di vetro ( time consuming e produzione di scarti) Svantaggi: tempi di avvio ( start up ) prolungati tempi di pulizia prolungati Consigliato per tempi previsti di produzione elevati senza interruzioni prolungate

14 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Fiber spray-up process Open Mold Fiberglass Process Overview The molds are then sprayed with a gel coat which will become the part's outer finish. 1. Precision molds are carefully cleaned to remove surface impurities.

15 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Fiber spray-up process Open Mold Fiberglass Process Overview Air bubbles are rolled out of the part. 3. Glass and resins are chop/sprayed or hand-laid onto the gel coated mold.

16 Processi a pressione atmosferica con rinforzi in fibre di vetro Produzione manuale di plastici rinforzati con fibre di vetro (GRP) - Fiber spray-up process Open Mold Fiberglass Process Overview Infrared ovens aid the resin curing process. 6. Cured parts are removed from the mold and the mold is ready for making the next part.

17 Processi a bassa pressione Produzione di manufatti di grandi dimensioni e di lotti produttivi medio-piccoli Tempi ciclo inferiori ai processi manuali ma superiori allo stampaggio a compressione ( compression molding ). Proprietà meccaniche dei manufatti superiori rispetto a quelle dei processi manuali Vacuum bag process - Stampaggio con sacco da vuoto 1. Stampo rigido e controstampo elastico (vedi figura). Dopo la stesura del sistema resina/rinforzo, viene applicato il vuoto nell intercapedine stampo-controstampo (compattazione e degasaggio) 2. Stampaggio con due fogli elastici (Produzione di cupole) 3. Stampo e controstampo rigidi. Possibile impiego di materiali core (strutture sandwich). Applicazione di vuoto (compattazione e degasaggio). Possibile finitura superficiale (gel coating) su entrambe le superfici interna ed esterna a) Mold; b) Reinforcing profiles; c) Laminate; d) Flexible sheet as countermold; e) Clamp; f) Sealing frame; g) Suction vents

18 Processi a bassa pressione! Autoclave vacuum bag molding - Stampaggio con sacco da vuoto in autoclave variante del vacuum bag process produzione di componenti di elevatissima qualità (industria aeronautica ed aerospazioale) - geometrie complesse costi dovuti all impiego di autoclavi pressurizzate e riscaldate e di prepregs di elevata qualità tempi ciclo di diverse ore Bleeder Prepreg Bag Flexible dam Seal Mold Heater Schematic of an autoclave molding device Pressure Vacuum Structure of a laminate produced in the autoclave process a) Vacuum bag; b) Compression plate; c) Pressure-distribution layer; d) Release film, perforated; e) Absorbent material; f) Release film or fabric; g) Peeling film; h) Fiber composite laminate; i) Release film; j) Mold; k) Sealing compound; l) Mold boundary; m) Double gasket (* optional)

19 Processi a bassa pressione! Resin Transfer Molding (RTM) Stampaggio per trasferimento di resina Stampo e controstampo rigidi (in metallo o FRP) Taglio e posizionamento del rinforzo (preforma) all interno dello stampo Iniezione nello stampo chiuso della resina attivata sotto pressione Impregnazione del rinforzo e reticolazione Possibile applicazione di vuoto (vacuum assisted RTM, VARTM) nella fase di iniezione/impregnazione Manufatti di grandi dimensioni con buone finiture su entrambe le superfici Preforme in fibra di vetro resine poliestere insature (contenuto in fibra 20-40%vol) Tessuti in fibra di vetro e/o carbonio resine epossidiche (contenuto in fibra <65%vol) Resina da iniezione con bassa viscosità ed elevata reattività Temperature di processo moderate (stampi non riscaldati) P injection = MPa (1-7 atm, psi)

20 Processi a bassa pressione! Resin Transfer Molding (RTM) Stampaggio per trasferimento di resina Esempi di prodotti ottenibili con tecnologia RTM

21 Processi ad alta pressione Stampaggio a compressione: Lotti produttivi medio-grandi Produzione di manufatti con buona finitura su entrambe le superfici, buona stabilità dimensionale ed elevato contenuto di fibra di rinforzo Presse idrauliche Costo di mano d opera limitato Liquid resin press molding Stampaggio a compressione con resina liquida (impregnazione fibra matrice in situ ) Posizionamento del rinforzo all interno dello stampo Versamento della resina attivata al centro dello stampo Chiusura dello stampo e flusso della resina con impregnazione del rinforzo, degasaggio e reticolazione Rinforzi: mat in fibra di vetro, tessuti o preforme in fibra di vetro Resine: resine poliestere insature (resine epossidiche non idonee a causa degli elevati tempi di reticolazione) Liquid resin press molding a) Female mold; b) Male mold; c) Heating channels; d) Cutting edges; e) Overflow; f) Excess; g) Fiber reinforcement; h) Resin; i) Molding

22 Processi ad alta pressione Liquid resin press molding Stampaggio a compressione con resina liquida (impregnazione fibra matrice in situ ) Cold liquid resin press molding Impiego di UPR attivate e ad alta reattività ( gel time di qualche secondo dopo la chisura dello stampo) Riscaldamento della superficie dello stampo a causa della reazione esotermica. Riscaldamento esterno dello stampo opzionale per mantenere tempi ciclo costanti (importante nella fase di avvio) Temperatura C Pressione MPa Contenuto in fibra 25-35% w Hot liquid resin press molding Stampi riscaldati (una differenza di temperatura di 5-10 C fra stampo e controstampo facilita la fase di demolding ) Temperatura C Pressione MPa Liquid resin press molding a) Female mold; b) Male mold; c) Heating channels; d) Cutting edges; e) Overflow; f) Excess; g) Fiber reinforcement; h) Resin; i) Molding

23 Processi ad alta pressione Press molding of preimpregnated fiber articles Stampaggio a compressione Molding compounds contengono tutti I componenti necessari alla reticolazione e alla produzione di un manufatto in materiale composito. La fase di impregnazione fibra-matrice è stata svolta precedentemente Posizionamento di una quantità pesata di molding mass ( carica ) all interno dello stampo (preriscaldato ala temperatura di curing ) Chiusura dello stampo, rammollimento della carica, flusso della resina, degasaggio e reticolazione Apertura dello stampo, estrazione del manufatto e finitura (eliminazione di bave ) Vantaggi: Svantaggi: Semplicità di stampi e presse Elevati tempi di reticolazione Limitata orientazione delle fibre (isotropia) Formazione di bave ( flash ) Limitato ritiro volumetrico Stadi: 1. Riempimento dello stampo con il molding compound 2. Chiusura della pressa fino alla fuoriuscita della carica dallo stampo 3. Riapertura breve dello stampo (degasaggio, breathing, opzionale) 4. Chiusura della pressa fino a reticolazione completa 5. Apertura della pressa 6. Estrazione del manufatto 7. Pulizia dello stampo

24 Processi semi-continui Filament winding Avvolgimento elicoidale (Impregnazione fibra-matrice in situ ) Processo altamente riproducibile Produzione di manufatti cavi con elevatissime proprietà meccaniche (serbatoi, tubazioni, ecc.) Resine: resine poliestere insature, resine vinil estere, resine epossidiche Fibre di vetro o di carbonio ( roving o woven tape ) Contenuto in fibra: 50-60% Elementi costitutivi: - mandrino di avvolgimento rotante - guida per fibre oscillante - bagno di resina per impregnazione fibra Filament winding (lathe system) a) Roving reels; b) Support with impregnating bath and fiber guide; c) Winding mandrel with laminate; d) Drive

25 Processi semi-continui Rotation Molding Stampaggio rotazionale (Impregnazione fibra-matrice in situ ) Produzione di manufatti cavi con buona finitura di entrambe le superfici interna ed esterna Fibra: mat in fibra di vetro o fibre di vetro tagliate (chopped) (25-30% wt) Scelta della resina in funzione del tipo di applicazione (resistenza ad agenti corrosivi) Reticolazione a temperatura ambiente Posizionamento della fibra di rinforzo e dosaggio della resina attivata. Compattazione, degasaggio ed impregnazione per effetto della forza centrifuga (rotazione del tamburo) Applicazione di coatings di finitura (gel coat) Centrifugal casting plant for large vessels a) Vessel for resin and accelerator; b) Vessel for hardener; c) Mixing and metering pump; d) Control unit; e) Roving reels; f) Telescopic arm; g) Application unit with cutting device, compressed air inlet, and resin feed; h) Rotor; i) Driving rolls; j) Guide rolls

26 Processi continui Pultrusion Pultrusione (Impregnazione fibra-matrice in situ ) Produzione di profilati con rinforzo uniassiale Fibra di vetro ( roving ) (50-75% wt) Forte anisotropia (possibile impiego di tessuti) Pultrusion a) Roving frame; b) Roving guide; c) Impregnating bath; d) Inlet nozzles; e) Profile mold; f) Heating channel; g) Takeoff unit; h) Cutting device

27 Processi di trasformazione Trasformazione di molding compounds Molding compounds materiali senza forma specifica che possono essere stampati in manufatti o semilavorati per effetto della temperatura e della pressione Profili tipici di viscosità, temperatura e pressione

28 Processi di trasformazione Trasformazione di molding compounds Comportamento flusso-reticolazione di molding compounds (A) Molding compound non attivato (no iniziatore) riscaldato nello stampo (B) Molding compound attivato (con iniziatore) immediatamente riscaldato alla temperatura dello stampo (C) Comportamento complessivo (reale) di un molding compound durante il processo di stampaggio a compressione Flow-cure behaviour for hard and soft flow. a. Hard flow b. Soft flow c. Possible processing range

29 Processi di trasformazione Applicazioni e caratteristiche di alcuni processi di produzione di materiali compositi a matrice polimerica termoindurente

30 Tempi tipici di flusso e cura per differenti processi di lavorazione dei compositi Processo Flusso (min) Curing (min) Post-curing (min) Autoclave Opt. Chiusura stampo Espulsione Riempimento Curing Post-Curing Pultrusione 1 1 Opt. Filament Winding Opt RTM Press molding (SMC) Modulo Viscosità Gel Fine ciclo