Automated tape laying

Il processo

Allorquando il lay-up di prepreg non venga effettuato manualmente, ma in modo automatizzato si parla di tecnologia di automated tape laying, che consiste nella deposizione del materiale preimpregnato, sottoforma di nastro, per mezzo di un apposita testa robotizzata, montata su di un ponte CNC a 4 assi (per applicazioni piane) o 5 assi (per applicazioni di forma) o su di un braccio antropomorfo.

Il processo si svolge nel seguente modo: il ponte (o il braccio) posiziona la testa per il lay-up piano o di forma. Una tipica procedura consiste nel realizzare più passate di nastro a varie angolazioni. Una passata (ply) consiste in uno strato di nastro avente una traiettoria descritta da un dato angolo.

I nastri preimpregnati deposti dalla testa automatizzata possono essere laminati su di una forma per realizzare pannelli sottili con forme predefinite e nelle zone di collegamento con altre parti è possibile unire a caldo tali nastri con parti strutturali,

quali nervature, scanalati a C, barre ad I ecc. Le parti strutturali ottenute o i pannelli sottili possono essere sottoposte a cura separatamente oassemblate insieme e sottoposte a cura e unite insieme in un pannello di forma con rinforzi strutturali . Nel caso di laminati piatti (generalmente chiamati lastre o pannelli), una volta che il lay- up è concluso, essi vengono rimossi dal letto di lay-up e trasferiti su di un tagliatore CNC dove le parti sono rifinite.

Descrizione dell’attrezzatura

Il ponte del tape laying più la testa contano possibili movimenti attorno a 10 assi, 5 sul ponte e 5 sulla testa, a controllo CNC per poter automatizzare la deposizione del nastro sulla superficie dello stampo in modo automatizzato. E’ possibile la lavorazione di più pezzi simultaneamente grazie alla possibilità di avere più ponti sulle stesse guide. Altro vantaggio del ponte è la grande capacità di carico e scarico di pezzi durante la lavorazione del precedente/successivo evitando tempi morti. Le guide parallele orizzontali lungo l’asse x di acciaio sono elevate e supportate da pilastrini distanziati di 3.7 m. E’possibile una traslazione orizzontale della slitta lungo l’asse y e verticale della testa lungo l’asse z il che provvede ai movimenti trasversali e verticali della testa. Gli assi c ed a permettono la rotazione ed il basculamento della testa.

La bobina di nastro è caricata sulla parte frontale della testa (Fig. 61). Il nastro è fatto passare attraverso il sensore di posizione del nastro (feedback device), sopra la guida (tape chute) e i taglierini. Il segmento di nastro viene quindi deposto e compattato dalla spatola (segment shoe) e il supporto di carta viene riavvolto nel rocchetto posto nella parte posteriore. Il movimento del nastro è chiamato asse u. Il controllo del movimento e tensione del nastro è regolato dai due motori della bobina del nastro e della bobina riavvolgitrice.

Il compito dei taglierini è quello di recidere il nastro senza intaccare il sottostante nastro di supporto cartaceo, realizzando le angolazioni di taglio opportune per la corretta deposizione del nastro.

La spatola di compattazione è progettata per deporre il nastro di composito su superfici di geometria complessa, come ad esempio tasche, incavi, (Fig. 62), spigoli, mantenendo una uniforme distribuzione di forze di compattazione lungo la larghezza della spatola. La spatola è accompagnata anche da un rullo di compattazione che è necessario per la corretta compattazione dei nastri tagliati con angolazioni molto accentuate in strisce diagonali molto lunghe, per poter seguire correttamente le forme. Un sistema di controllo della compattazione del nastro permette di variare la pressione di compattazione durante la deposizione del nastro. La pressione è modificabile dal programma o dall’operatore stesso.

La testa è equipaggiata con un sensore ottico che monitora lo scorrere del nastro che permette di fermare la deposizione quando un marker ottico è riconosciuto. La testa è equipaggiata con un sistema di riscaldamento del nastro. Per alcuni sistemi di resina secca che devono essere caratterizzati da bassi livelli di adesione nastro – nastro, il sistema di riscaldamento riscalda il prepreg per aumentare il livello di adesività subito prima della deposizione fatta dalla spatola. Tipiche temperature di riscaldamento sono da 26 a 43 °C.

Fig. 1.63 Testa per ATL montata su ponte controllato da CNC

Materiali e forme tipicamente utilizzati:

In generale il nastro di alimentazione di materiale utilizzabile nei processi automated tape laying consiste in fibre di carbonio unidirezionali o di vetro impregnate con

resina termoindurente, fornita in rotoli su di un nastro di supporto in carta dal diametro del cuore interno di 255 mm, e con margini di fibra riccamente impregnata con carta di rinforzo.

I rotoli di materiale composito per l’hand lay-up e per l’automated lay-up hanno requisiti diversi circa l’impregnazione della resina e l’eventuale carta di supporto. La resistenza e la facilità di deposizione del nastro di carta di guida e sostegno sono molto importanti per realizzare con successo la tecnologia ATL, dovrà avere caratteristiche superiori rispetto al materiale di sostegno per la deposizione in hand lay-up. Per esempio se il nastro di guida non fosse abbastanza resistente e si rompesse, sarebbe necessario ricaricare il nastro. Condizioni del nastro scorrette vanno a modificare il comportamento di deposizione e compattamento. La relazione adesiva tra nastro di materiale deposto e nastro di sostegno di carta è importante in quanto se fuori controllo può causare ripiegamenti del materiale deposto durante la compattazione. Se il materiale composito impregnato si separa dal nastro di sostegno prima del taglio, della deposizione o della compattazione il lay-up non sarà di qualità. Altrettanto se il composito preimpregnato non si separasse facilmente dal nastro di sostegno dopo la compattazione.

Altro fattore chiave è l’adesione del materiale deposto sullo stampo o sul substrato sottostante. La distribuzione della resina tra le fibre ( in configurazione impregnata o solo con superficie bagnata) condiziona l’adesione del nastro allo stampo di lay-up e agli strati successivi. Prepreg con troppa poca resina sulla superficie non aderirà bene a se stesso o alla superficie dello stampo e sarà richiesto un riscaldamento del nastro per incrementare il potere adesivo del materiale per la laminazione. Critiche in questo senso sono le resine bismaleimidiche ed altre resine epossidiche. Una buona impregnazione aiuta anche nel mantenere compatte le fibre durante la compattazione. Prepreg con troppa resina sulla superficie e all’interno del nastro tendono a far si che le fibre durante la compattazione si separino.

Per esempio se metà materiale del nastro aderisce alla superficie del lay-up e l’altra metà resta sul nastro di sostegno, il nastro si spezzerà.

Considerazioni di progetto:

Per il corretto uso del processo è necessario considerare il tipo di geometria che si vuole realizzare (laminati piatti o forme complesse): dipendentemente dalla complessità del pezzo, dimensioni e forma le tecniche di tape laying sono preferibilmente usate in presenza di forme medio-piatte. Parti dalla geometria molto complessa sono più adatte a tecnologie di fiber placement piuttosto che di tape laying.

Quando si considera la possibilità di realizzare un pezzo in automated lay-up, è necessario considerare i seguenti aspetti:

• Se gli angoli richiesti dalla forma e dalle fibre ricadono nel range di angoli permessi dal taglio,

• Se le richieste di contorno e forma dello stampo sono permesse dalla forma della testa,

• Gli incavi per l’inserimento dei rinforzi e gli angoli di sformo devono essere progettati affinché siano realizzabili dalla macchina senza piegature o strappi del nastro,

• Il materiale composito utilizzato deve essere adatto al pezzo ed al processo,

• La larghezza del nastro deve essere scelta con l’obiettivo di massimizzare il rateo produttivo e minimizzare gli scarti di lavorazione,

• Il materiale composito scelto deve garantire le prestazioni meccaniche richieste. Nelle zone in cui le capacità della macchina non riescono a soddisfare le necessarie specifiche del pezzo in termini di forma o altro è necessario l’intervento manuale. Per ridurre questo è necessaria una buona progettazione del processo a monte della scelta dei materiali da utilizzare e delle capacità delle attrezzature utilizzate. Considerazioni importanti devono anche essere fatte sulla superficie dello stampo e dell’utensile di lay-up. Questi vengono realizzati in speciali materiali che garantiscono il mantenimento della temperatura una volta che il nastro è stato deposto.

Osservazioni:

Il processo di tape laying ha svolto un ruolo importante nello sviluppo dell’uso dei compositi sia nel campo aeronautico militare, sia nel campo commerciale. Tape laying continua ad essere un processo ad alta produttività e basso costo come soluzione nella conversione da alluminio a composito e come soluzione per la realizzazione di compositi alto resistenziali, caratterizzati da basso peso e basso costo.

Esempi di future applicazioni industriali includono ali per aerei di linea, pale per turbine eoliche, parti strutturali per applicazioni civili, e strutturali nel settore automotive e dei trasporti in generale. L’ATL è un processo maturo ed è correntemente usato in tutte le applicazioni militari e commerciali e può essere considerato valida soluzione nella conversione da alluminio a composito laddove siano richieste caratteristiche di basso peso e costi contenuti. Questo tipo di processo permette una forte riduzione dei costi di fabbricazione rispetto alla tecnologia hand lay-up. Si è constatata una riduzione delle ore lavorative del personale del 70– 85% rispetto alla tecnologia hand lay-up in riferimento alle realizzazioni di laminati piatti, ed un aumento del rateo produttivo fino ai 1000 kg/settimana. In Fig. 64 si possono osservare in relazione alla larghezza dei nastri da 150 a 300 mm (6 – 12 pollici) la quantità di pezzi realizzabili (in libbre/h) e la quantità di scarti inevitabili. Il rateo di lay-up realizzabili invece per la realizzazione di pannelli di forma dipende molto dalla complessità della geometria, dall’accuratezza richiesta, dallo spessore delle parti e dalla larghezza e tipo di nastro usato. Laminati e pannelli dalle geometrie non troppo complesse sono ottimamente realizzabili in tape laying. Maggiori sono le dimensioni dei pezzi da produrre, maggiore è la produttività in kg/anno del tape laying.

Fig. 1.64

Il limite dell’ATL è la difficoltà a realizzare pezzi aventi geometria complessa perché il nastro tende a ripiegarsi e a riempire le transizioni di piano.

Per questo, in fase di progettazione, è molto importante considerare il tipo di geometria che si vuole realizzare e cercare di limitare il più possibile geometrie complesse, più adatte a tecnologie di fiber placement piuttosto che di tape laying.