SIGNIFICATO IBRIDAZIONE

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1 SIGNIFICATO IBRIDAZIONE 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 diagrammi di Ashby). E' un processo simile a quanto si fa in botanica con gli innesti e gli incroci di diverse piante. L'ibrido è naturalmente un materiale più complesso, che si danneggia per esempio in modo molto vario e non facilmente prevedibile (es. compositi) Modi di danneggiamento di un materiale composito fibra-matrice

2 METODI DI PRODUZIONE DEI MATERIALI COMPOSITI Impregnazione delle fibre e laminazione in stampo aperto (hand lay-up) con matrici termoindurenti Stampaggio a compressione (compression moulding) con matrici termoplastiche Stampaggio ad iniezione (injection moulding) con matrici termoplastiche a profilo di viscosità complesso Resin transfer moulding per lastre o profili di maggiore precisione Pultrusione per prodotti a sezione prismatica Estrusione per tubi Filament winding per profili cilindrici (es. bombole)

3 CARATTERISTICHE DA OTTENERE IN UN COMPOSITO No sacche di resina Giusta impregnazione Reologia della resina No fibre scoperte Profilo di viscosità e comportamento noto Premessa necessaria: compatibilità tra le fibre e la matrice (è desiderabile analoga origine chimica, come nel caso del legno)

4 IMPORTANZA DELL'OMOGENEITA' DI DISTRIBUZIONE DELLE FIBRE La procedura più semplice e meno costosa per creare un composito (es. pannelli di legno con fibre naturali di tipo diverso) è l'assemblaggio per compressione dell'estruso, mettendo un opportuno collante (o binder) per assicurare la tenuta del materiale. In questo caso le fibre sono corte (pochi mm) ed orientate a caso (random), tuttavia possono essere, specie nel caso delle fibre naturali, più o meno spesse e ben distribuite all'interno del composito. Ultimamente, si sono tentati anche dei pannelli senza binder con fibre più comprimibili (legnose): es. fibre di cocco.

5 MANIFATTURA STUOIE COMPOSITE Provino di mat di canapa in resina epossidica Le stuoie sono prodotte con l'idea di introdurre la maggior quantità possibile di rinforzo con basso costo. Ci sono una serie di materiali di largo uso in fibra di vetro prodotti in questo modo, es. GMT (glass mat thermoplastic), SMC (sheet moulding compound), DMC (dough moulding compound). Quest'ultima contiene anche carbonato di calcio come filler naturale

6 ALTRE FORME DI RIEMPIMENTO (FILLING) DI MATRICI POLIMERICHE Fibre di cheratina (da piume di pollo) in polipropilene Sia il riempimento con fibre di cheratina, che il riempimento con talco rispondono ad un'esigenza di smaltimento rifiuti (il talco si è rivelato ideale per assemblare scarti di resine termoplastiche, oltre che come anti-abrasivo), tuttavia il trattamento chimico nel caso delle piume di pollo è molto più pesante (sanitizzazione con ipoclorito di sodio)

7 ALTRE VARIABILI: MESOSTRUTTURA DEI COMPOSITI Struttura di materiali compositi misti (es. Twintex), con due tipi di fibre, di cui una plastica (polipropilene) Tipi di materiali compositi tessuti (bilanciati o meno) Passando a dei compositi con proprietà superiori occorre, o fare dei laminati quasi-isotropi con strati con diversa orientazione, o tessere il rinforzo, oppure disporre due diversi tipi di fibre (compositi misti o compositi ibridi)

8 ALCUNI TIPI DI COMPOSITI TESSUTI Woven Trama e ordito (2-D) Braided Fibre intrecciate (a coda di cavallo) per formare strutture leggere e fubolari Stitched Struttura a maglie cucita attraverso trama e ordito con possibili varianti: Va notato che il successo meccanico dell'operazione di tessitura dipende dal fatto che le fibre abbiano diametro costante: per questo nel caso delle fibre naturali ci si limita spesso alle sole strutture 2-D

9 PARAMETRI DI STAMPAGGIO DEI COMPOSITI (termoplastici) Tempo di riscaldamento Temperatura impostata sul forno (tale che tutta la resina sia oltre la temperatura di fusione) Tempo di trasferimento forno-pressa (da tenere al minimo per evitare difetti nel materiale) Temperatura dello stampo (di solito a circa C per evitare bruschi raffreddamenti) Pressione di consolidamento (più bassa per i compositi a fibre orientate, più alta per le stuoie con fibre random) Tempo di applicazione della pressione

10 STAMPAGGIO A COMPRESSIONE: CONTROLLO DELLA TEMPERATURA Può essere necessario il monitoraggio della temperatura, tramite termocoppie, in diverse aree dei forni industriali

11 STAMPI RISCALDATI PER STAMPAGGIO A COMPRESSIONE Ibridi complessi vengono spesso ricavati o dall'unione di laminati a fibre orientate ed a fibre random, oppure per esempio da laminati a fibre di vetro e fibre naturali. Questo consente di migliorare il rapporto tra le proprietà ed il costo, anche se può leggermente complicare il metodo di produzione. L'impatto a fine vita va invece valutato da caso a caso.

12 STRUTTURA CELLULARE, SIMMETRIA ELICOIDALE E ADATTABILITA' Legno Sistemi di ripiegamento (folding) dei compositi (tipo Miura-Ori) Adattamento ambientale Celle nel sughero e quasi-isotropia Allineamento microfibre nella corazza (esoscheletro) degli artropodi Orientamento delle fibre nella foglia di formium

13 COMPOSITI RIPIEGABILI Nel caso dei compositi la ripiegabilità è molto difficile: questo significa che si deve ricorrere o a fabbricazione con stampo e controstampo di grande precisione oppure a degli spessori estremamente sottili con geometrie particolari (es. forate, ecc.), ed in ogni caso realizzate soltanto per ora su compositi in fibra di carbonio. L'adattabilità delle strutture vegetali non è stata finora sfruttata a pieno per i compositi in fibra naturale (mentre il legno è piegabile, se umido e disposto in apposite preforme)

14 ESEMPI DI TECNOLOGIA DEL LEGNO Ciclo del legno dal tronco al truciolato (ammettendo non si tratti di prodotto di riciclo) Le lavorazioni del legno sono basate o sul mantenere il più possibile la struttura delle fibre intatta o sulla triturazione e la formazione di trucioli disposti casualmente e tenuti a pressione e/o con colle.

15 PRODUZIONE DI FIBRE POLIMERICHE a. Melt spinning (filatura del fuso), adatta per polimeri che fondono bene (poliestere, nylon) b. Dry spinning (filatura in soluzione a secco) (per acetato di cellulosa, rayon) c. Wet spinning (filatura ad umido) (per poliuretani)

16 PRODUZIONE DEI BIOCOMPOSITI PER ESTRUSIONE E' una tecnologia particolarmente adatta per i biocompositi, quindi costituiti più recentemente da polimeri a base di amido (acido polilattico, policaprolattone con fibre naturali di vario tipo, in particolare da fusto, come la canapa)

17 RESIN TRANSFER MOULDING (RTM) Sistema di stampaggio Il sistema RTM consente di evitare la laminazione manuale dei polimeri termoindurenti. Si svolge a pressione abbastanza bassa (spesso di poche atmosfere) o in certi casi facendo il vuoto, per ridurre la presenza di aria, ed a temperatura raramente superiore ai C, ma richiede notevoli studi reologici per far fluire il polimero attraverso il letto di fibre, già disposte per la configurazione finale, e quindi per garantire un'impregnazione ottimale.

18 PRODUZIONE COMPOSITO IN SACCO (A VUOTO, A PRESSIONE, IN AUTOCLAVE) Sono tutti processi nei quali si cerca di migliorare la qualità dei laminati ottenuti, senza grandi aumenti di costo e per piccole serie, ottenendo un più adeguato allineamento delle fibre per esempio con la preimpregnazione delle fibre oltre che con la rullatura. E' cruciale l'uso del distaccante, data la sostanziale aspecificità delle superfici utilizzate (di solito puramente piane).

19 FILAMENT WINDING Recipiente a pressione in filament winding Calandratura in fibra di kevlar/epossidica sotto prova (processo originario idraulica sulle plastiche) Il filament winding consente di avere un composito quasi-isotropo od anche più complesso, avvolto intorno ad un recipiente di plastica stampato. L'idea del filament winding nasce dalla regolazione di spessore ottenibile con la calandratura, con la differenza che i rulli sono utilizzati per scorrimento e non per schiacciamento.

20 PULTRUSIONE La pultrusione permette delle produzioni in continuo, la scelta di sezioni di tipo diverso (di solito tendenzialmente prismatiche o cilindriche) ed una certa regolazione degli spessori e miglioramento della resistenza a rottura, specie in una direzione preferenziale. Le sezioni possono essere anche cave, con la condizione essenziale che siano dei profili estrudibili (tirabili: non film sottili).

21 COMPOSITI CON DIVERSE FUNZIONALITA' (es. bleeding composites o smart materials ) Fuoriuscita del liquido fluorescente dalle fibre cave (hollow fibres) che mostra il danneggiamento del materiale sotto lampada UV Le fibre cave, oppure le fibre ottiche nel caso degli smart materials, danno l'indicazione del danneggiamento (in qualche caso le fibre ottiche possono anche fornire una riparazione d'emergenza), però disturbano fortemente la disposizione del rinforzo nel composito (essendo di diametro molto superiore alle fibre di vetro, di carbonio o di Kevlar utilizzate di solito)

22 VERSO LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA... Il primo approccio alla prototipazione rapida è stata l'introduzione dei torni e frese a controllo numerico, che permettevano di fornire un'esatta descrizione dell'operazione da compiere per tagliare l'oggetto (inizialmente metallico) nella forma voluta La limitazione della prototipazione rapida, come la si utilizza ora, è che i programmi informatici che la rendono possibile, attraverso la ripetizione delle informazioni, non sono ancora totalmente consapevoli del contesto nel quale si trovano a muoversi (cioé: dell'ambiente in cui l'oggetto prototipato dovrà operare) 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. Per ora, alcuni prodotti di questo genere vengono resi disponibili nell'ambito dei pezzi meccanici e dei prodotti alimentari.

23 SINTERIZZAZIONE LASER SELETTIVA La "sinterizzazione selettiva Laser" utilizza un Laser ad alta potenza (per esempio ad anidride carbonica) per fondere piccole quantità polverizzate della sostanza che deve produrre il prototipo. Le quantità vengono fuse in modo selettivo, strato per strato, secondo un piano fornito da una descrizione tridimensionale dell'oggetto implementata sul sistema Laser.

24 METODI DI STAMPAGGIO A GRANDE PRECISIONE

25 DOMANDE DI RIFLESSIONE Devo scegliere se utilizzare per un prodotto un materiale puro (costituito, a meno di difetti, da una sola fase) ed un materiale ibrido (costituito da due o più fasi). Quali possono essere i vantaggi e svantaggi dell'uno e dell'altro. Quali sono le differenze principali nell'impiegare come rinforzo di un composito una fibra tradizionale (vetro, carbonio, kevlar) od una fibra vegetale? Quali possono essere i principali motivi per cui, producendo un laminato plastico, lo stampo non si riempie completamente? Il fatto di voler produrre una serie limitata oppure invece un gran numero di pezzi dello stesso oggetto di design influenza la scelta del materiale e del processo di fabbricazione. Riflettere su questo concetto, pensando p.es. alla fabbricazione di un tavolo.