Tecnologie a Stampo Chiuso Pultrusione Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 1
Schematizzazione Cenno storico: Il primo brevetto risale al 1951; già nel 1970 nei soli Stati Uniti venivano prodotte 5000 ton di pultrusi, diventate 20.000 ton nel 1976. Pull - extrusion (analogia con estrusione metalli): Estrusione per trazione Profili pultrusi: caratteristiche geometriche Profili lineari,di geometria anche complessa ma a sezione costante su tutta la loro lunghezza Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 2
Metodi di lavorazione - WET METHOD: Fibre asciutte - DRY METHOD: Preimpregnati Piu costosi rispetto alle fibre asciutte Permettono di gestire in modo piu agevole il processo Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 3
Fasi del processo 1) Alimentazione del rinforzo 2) Impregnazione nella resina 3) Preformatura 4) Formatura e polimerizzazione 5) Trazione 6) Taglio Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 4
Pultrusione Fasi del processo 6 stazioni principali IMPREGNAZIONE PREFORMA MORSETTI TRAZIONE CANTRA TRAFILA TAGLIO Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 5
Pultrusione 1) Alimentazione del rinforzo MAT E ROVING GUIDE -Orientano fibre verso 2a stazione -Evitano che si generi carica statica ed increspature nella vasca di resina -Impediscono annodamenti, sovrapposizioni, danneggiamenti CANTRA Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 6
1) Alimentazione del rinforzo I pezzi pultrusi presentano elevata resistenza, ottenibile però solo con un corretto posizionamento del rinforzo all interno del laminato composito. Le fibre utilizzate in pultrusione possono presentarsi sotto diversi formati commerciali: Mat Roving Mat + Roving Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 7
1) Alimentazione del rinforzo MAT Il mat viene usato sotto forma di nastri di varia larghezza avvolti in rotoli di circa 100 metri di lunghezza. L estremità di un rotolo di mat può essere cucita a mano al lembo iniziale del successivo. Nastro di fibre corte (tipo lana di vetro) avvolto in rotoli Migliora caratteristiche superficiali Rinforzo direzione trasversale Evita affioramento delle fibre Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 8
1) Alimentazione del rinforzo ROVING Il rinforzo è raccolto in bobine. Vicino a ciascuna bobina di alimentazione viene posizionata la successiva e i capi del roving dei due rotoli sono intrecciati per garantire la continuità. Per tener separati i filamenti vengono fatti passare attraverso guide ad anello. Fascio di fibre lunghe (vetro, carbonio, aramidiche) raccolte in bobine Rinforzo in direzione longitudinale Piu economico del MAT Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 9
1) Alimentazione del rinforzo ROVING + MAT In alcuni casi i due tipi di rinforzi esaminati vengono posizionati in sandwich: si racchiude il roving diretto secondo l asse di pultrusione tra due strati di mat. Si hanno discrete proprietà anche in direzione trasversale. Tessuto con struttura a sandwich Buone proprietà meccaniche in direzione assiale e trasversale Tessuto piu costoso Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 10
Pultrusione 2) Impregnazione nella resina IMPREGNAZIONE Le fibre asciutte vengono trascinate all interno di un bagno di resina. Le vaschette d impregnazione hanno lunghezza compresa tra 1 e 2 metri larghezza variabile. Al loro interno, sono posizionati dei rulli che guidano il rinforzo secondo un percorso a zig-zag, in direzione della profondità. In alcuni casi, si fa passare il filo attraverso due rulli che lo schiacciano leggermente, facilitando la penetrazione della matrice tra le fibre. Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 11
2) Impregnazione nella resina La viscosità della resina deve essere opportunamente controllata. Valori troppo elevati porterebbero ad una scarsa impregnazione delle fibre, ad una velocità minore nella linea. Valori troppo bassi della viscosità comporterebbero un eccessiva impregnazione. La viscosità della resina può essere abbassata aumentando la temperatura del bagno. Tale riscaldamento può provocare però problemi nel caso di presenza, all interno della resina, di agenti catalizzatori a bassa temperatura. Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 12
2) Impregnazione nella resina Le resine devono essere a bassa viscosità, di solito termoindurenti: poliesteri insaturi (le più utilizzate poichè meno costose); epossidiche siliconiche. Spesso alla resina vengono aggiunti dei pigmenti in modo da ottenere un pezzo già colorato e/o per una maggiore resistenza ai raggi ultravioletti. Le epossidiche, invece, vengono preferite alle poliesteri quando è richiesto il rinforzo in carbonio, per 3 motivi: 1. con le poliesteri otterrei proprietà meccaniche scadenti (bassa resistenza a fatica e al taglio); 2. la volatilità dello stirene è troppo elevata 3. problema del ritiro Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 13
Pultrusione 3) Preformatura PRE-FORMA Il materiale non assume la forma di progetto in un unica operazione, ma passando per forme intermedie. La formatura graduale permette: 1.migliore allineamento delle fibre; 2.recupero della resina in eccesso; 3.cambiamento graduale della geometria, dato che a valle dell impregnazione le fibre sono sotto forma di nastro. Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 14
4) Formatura e polimerizzazione La formatura è l operazione principale del processo di Pultrusione in quanto il materiale viene costretto a passare attraverso una trafila e ad assumerne la forma. Lo stampo risulta l elemento più costoso del sistema, quindi richiede un accurata fase di progetto. Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 15
Pultrusione 4) Formatura e polimerizzazione TRAFILA Conferisce la forma finale al materiale E lunga da 300 a 1500 mm E necessaria una trafila diversa per ogni profilo Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 16
4) Formatura e polimerizzazione TRAFILA La trafila è lunga da 300 fino a 1500 mm (costo proporzionale alla lunghezza). La lunghezza dipende: 1.sezione del pezzo (aumenta all aumentare della sezione); 2.velocità del processo (aumenta all aumentare della cadenza di produzione); 3.tipo di resina. La trafila deve essere disposta perfettamente parallela al proprio asse ed allineata con i sistemi pre e post formatura. L ingresso e l uscita sono intercambiabili (zona d ingresso più soggetta ad usura). L ingresso deve inoltre prevedere una rastrematura di circa 7-10 (eliminazione della resina in eccesso). Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 17
4) Formatura e polimerizzazione TRAFILA Nella progettazione della trafila è importante tener conto dell espansione del materiale in fase di polimerizzazione, e del successivo ritiro; solo in questo modo si potranno evitare pericolose sollecitazioni di taglio. Ad esempio, per resina epossidica rinforzata in carbonio, le dimensioni dello stampo vengono maggiorate di circa il 2%. Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 18
4) Formatura e polimerizzazione TRAFILA Caratteristiche fondamentali: 1. ottime caratteristiche meccaniche ad alte temperature; 2. elevata resistenza agli agenti chimici (della resina e dei detergenti); 3. buona lavorabilità per ottenere rugosità superficiale spinta (0.2 m Ra), per ricavare spigoli vivi in corrispondenza delle linee di giunzione; 4. elevata durezza superficiale Il materiale più utilizzato è l acciaio cromato. Cromatura (ogni 20.000/30.000 m di pultruso). In molti casi, si preferisce un acciaio alto legato in quanto il cromo viene attaccato dalle resine epossidiche. Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 19
4) Formatura e polimerizzazione La Polimerizzazione ha luogo all interno della filiera grazie al riscaldamento per conduzione da parte dello stampo stesso. Lo stampo può essere riscaldato in vari modi: piastre esterne, resistenze elettriche interne (più costoso), sistemi radianti o a circolazione di olio caldo. In tutti i casi è importante che la temperatura, solitamente compresa tra i 150 e i 170 C, sia controllata in tutti i punti del manufatto e per ogni turno di lavoro, in modo che la tolleranza massima sia di 1 C. Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 20
4) Formatura e polimerizzazione Per accelerare la fase di Polimerizzazione spesso viene effettuato un preriscaldamento a valle dell impregnazione mediante un sistema a microonde che riscalda il materiale dall interno verso l esterno; successivamente il riscaldamento, di tipo elettrico, che agisce dall esterno, completa l indurimento. Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 21
5) Trazione Originariamente veniva svolta da catene o cavi, oggi, invece, si utilizzano: 1. caterpillar (metodo costoso e poso versatile, in quanto la superficie di contatto deve avere la stessa forma del manufatto); 2. morsetti montati su sistemi con moto alternativo (più versatile, in quanto i morsetti, che afferrano lateralmente il pezzo, possono avere lo stesso profilo anche per geometrie molto diverse). Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 22
Pultrusione 5) Trazione SISTEMI DI TRAZIONE PER ATTRITO: Caterpillar: trattore a cingoli Coppia di morsetti di ancoraggio identici con movimento alternato Parametri di funzionamento: Forza di trazione: 10 1000 MN Velocità di trascinamento:1,5-100 m/h Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 23
5) Trazione Pultrusione La forza di trazione deve essere tale da bilanciare l effetto combinato di tre fattori: la forza d attrito delle fibre che strisciano sulle pareti dello stampo; la forza di taglio viscoso tra un sottilissimo strato di resina e le pareti dello stampo; la resistenza all ingresso dello stampo dovuto al flusso inverso della resina. La forza di trazione cresce con: l aumento della percentuale volumetrica di fibra con la viscosità della resina con la velocità di avanzamento. Il controllo della forza di trazione e la progettazione del sistema di tiraggio risulta fondamentale per garantire il corretto allineamento delle fibre e per evitare i tipici difetti dei materiali pultrusi. Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 24
Pultrusione 6) Taglio TAGLIO sega circolare munita di lama di carburo di silicio o di diamante sistema di raffreddamento a spray che raffredda il disco ed abbatte le polveri movimento sega sincronizzato con quello del pultruso (velocità relativa nulla) Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 25
VANTAGGI elevata resistenza a trazione alta percentuale di rinforzo buon isolamento elettrico bassi costi dovuti alla produzione in continuo SVANTAGGI geometria del manufatto può essere anche complessa, ma solo a sezione costante elevati costi di impianto Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 26
Campi di applicazione SETTORE ELETTRICO Pali per linee elettriche, barre spaziatrici per trasformatori SETTORE SPORTIVO/RICREATIVO Canne da pesca, mazze da golf CAMPO DELLE COSTRUZIONI Tiranti per ponti, travi, pontili, telai per finestre SETTORE DEI TRASPORTI Barre di carico per autocarri e carri ferroviari SETTORE AERONAUTICO - pultrusi in carbonio per impennaggi verticali (deriva e timone) e orizzontali, solette di longheroni (ATR 42) - profili aerodinamici a sezione costante per superfici mobili (alettoni) ed alari di piccoli velivoli Corso di Tecnologie Speciali 1 - Prof. Luigi Carrino 27