Compression Molding

Atre tecnologie che permettono il raggiungimento di ratei produttivi più elevati rispetto al manual prepreg lay-up con cura in autoclave sono quelle di stampaggio per compressione.

Nell’affrontare l’analisi dei processi di compression molding è necessario distinguere due principali categorie di produzione per stampaggio. Secondo la classificazione ASM fanno parte della categoria compression molding i processi di formatura per polimerizzazione su stampo e controstampo di rinforzi preimpregnati in matrice termoplastica o termoidurente, quali quelli di stampaggio ad alta pressione di Glass- fiber-mat-reinforced in matrice termoplastica (GMT), Long-fiber-reinforced in matrice termoplastica (LFT), e Sheet molding compounds (SMC) in matrice termoindurente. E’ necessario distinguere questa tipologia di processi, che vedremo saranno caratterizzati da scarse prestazioni meccaniche, dalle tecnologie che noi

abbiamo chiamato col nome di Prepreg + pressa, che in alcune pubblicazioni vengono anche denominate Prepreg low P/T (bassa pressione e temperatura), per indicare il fatto che il processo di compattamento e cura non è paragonabile ai tradizionali processi di stampaggio ad alta pressione, in quanto il materiale non è soggetto a grandi scorrimenti all’interno dello stampo visto che il rinforzo preimpregnato già ricopre completamente la superficie della forma finale.

Le parti realizzate in Prepreg + pressa avranno caratteristiche meccaniche elevatissime al pari delle ottenibili con manual prepreg lay-up, come visto precedentemente.

In questa sezione noi indichiamo come processi di compression molding solamente i tre processi di formatura per polimerizzazione su stampo e controstampo, che rappresentano la famiglia di processi di fabbricazione di parti in materiale composito più largamente usata oggi in applicazioni nel settore automotive.

Prestazioni meccaniche

I processi di compression molding offrono le peggiori performance strutturali dell’intero panorama tecnologico di produzione di parti finite in materiale composito. I processi GMT e LFT utilizzano matrici termoplastiche che per loro natura forniscono prestazioni strutturali molto minori rispetto a quelle termoindurenti, in quanto sono caratterizzate da bassa rigidezza e modulo elastico. I processi GMT e LFT si possono paragonare ai processi di stampaggio di materie plastiche, con però l’introduzione di rinforzi fibrosi. Il processo SMC invece utilizza matrice termoindurente, ma la presenza di fibre corte ne limita fortemente le caratteristiche meccaniche.

Requisito necessario per l’impiego di materiali compositi in applicazioni dall’elevata responsabilità costruttiva quali parti di telaio è la presenza di rinforzi a fibre lunghe in matrice di resina termoindurente.

Il processo di stampaggio GMT e LFT è caratterizzato da un forte scorrimento del materiale all’interno dello stampo e quindi l’orientamento del rinforzo e

conseguentemente le proprietà varieranno significativamente all’interno del componente. Al contrario con materiali di partenza con rinforzi di fibra continua, la carica dovrà avere almeno le stesse dimensioni planari del componente, ed è difficile realizzare componenti con geometrie complesse o con formature profonde, che sono relativamente semplici con il GMT. Molto lavoro è indirizzato nel combinare le buone proprietà strutturali dei prepreg con la semplice fabbricazione con i GMT attraverso la combinazione delle due forme di materiale (ma generalmente con la stessa matrice e tipi di fibra in entrambi i materiali). Questo può essere realizzato per esempio posizionando strati di prepreg tra fogli di GMT, dove l’ultimo fluisce generando la complessa geometria del componente.

Per ora quindi i processi di compression molding non sono sicuramente adatti ad impieghi strutturali, ma trovano le loro maggiori applicazioni in pannellature semistrutturali e parti di carrozzeria. Frequente è l’utilizzo di questa tecnologia nella realizzazione di pannelli frontali di autovetture, come possiamo osservare in queste applicazioni di compression molding di fibra lunga in matrice termoplastica (LFT) che si possono ritrovare nell’industria automobilistica in componenti quali strutture frontali e di supporto (es. Volkswagen Passat Fig. 15), pannelli porta (es. Skoda Fabia, bagagliai e coperchi di batterie.

Prestazioni in riferimento all’urto

Sicuramente inferiori a processi quali il manual prepreg lay-up o il braiding, nonostante le scarse proprietà meccaniche in termini di rigidezza e modulo elastico i materiali in matrice termoplastica forniscono però discrete prestazioni in riferimento all’urto, garantendo buoni livelli di energia d’urto assorbibile presentando una bassa fragilità e quindi discreta tenacità.

Rateo produttivo

Per un primo approccio alla tecnologia compression molding è necessario osservare che gli investimenti in macchiari e attrezzature per il processo di compression molding possono essere sostenibili a partire da un volume produttivo generalmente di 50.000 pezzi/anno, usando tooling a singola cavità in quanto generalmente le pressioni richieste risultano molto elevate e necessitano la realizzazione di importanti stampi in acciaio e l’utilizzo di presse di discreta potenza; per piccole serie sono più redditizie altre tecnologie produttive. Nel settore automotive i volumi annuali possono raggiungere massimi di 1.000.000 di parti/anno utilizzando diversi tool di stampaggio in parallelo per ogni applicazione.

Una produzione in grande volume oggi presente sul mercato automobilistico di semistrutture in materiale composito realizzato in compression molding è rappresentata dalla Chevrolet Corvette Z06 in cui prepreg di fibra di carbonio con orientamento unidirezionale (CFRC) garantiscono prestazioni superiori ai tradizionali compression molding di SMC in merito a facilità di fluire nello stampo, tempo di cura e orientamento delle fibre. Con lo scopo di un forte alleggerimento soprattutto della parte anteriore della vettura sono stati realizzati in CFRC sia strutture di nessuma rilevanza estetica, che è possibile distinguere in verde in Fig. 16a, cioè pannelli sottoporta, pannello divisore abitacolo-sottocofano, telaietti anteriori di supporto ai fanali, sia di elevata rilevanza estetica quali quelli rappresentati in verde in Fig. 16b, cioè cofano, tettuccio, parafanghi anteriori e posteriori.

Fig. 1.16a-1.16b

Ricordiamo poi che GMT compression molding è un processo continuo in linea per la produzione di grandi vulomi di parti. Questo è il processo più economicamente conveniente quando procede continuamente nella realizzazione di un tipo di pezzo che non richiede il cambiamento delle condizioni di processo o il tool di stampaggio durante il processo stesso.

Tempo di ciclo

Come tutte le tecnologie di stampaggio, il compression molding permette una forte riduzione dei tempi di ciclo rispetto alle tecnologie di deposizione manuale e anche rispetto alle tecnologie di infusione di resina. Nonostante l’utilizzo di preimpregnati è possibile un elevato grado di automazione del lay up e le fasi di chiusura stampo, formatura e cura sono molto rapide. Questo bassissimo tempo di ciclo ha permesso il raggiungimento di ratei produttivi molto elevati.

Costi di attrezzamento

L’elevatissimo rateo produttivo realizzabile in compression molding rende velocemente ammortizzabili gli elevati costi relativi alla fabbricazione degli stampi d’acciaio ed ai macchinari di automazione del lay-up e dell’estrazione della parte dello stampo.

La realizzabilità di forme complesse poi si ripercuote sulla grande facilità di integrazione possibile in compression molding. E’ possibile realizzare pezzi unici dove prima diversi pezzi metallici erano connessi con numerose saldature e giunzioni, con grande risparmio in costi di attrazzamenti e assemblaggi successivi. Un esempio può essere la realizzazione di supporti strutturali di SMC che sono stati utilizzati nella realizzazione di autovetture, spesso con rinforzi di fibre lunghe in matrice termoplastica. Come mostrato in Fig. 17 (Supporto strutturale del frontale di una Ford Galaxy e Volkswagen Sharan), il componente è consegnato pronto per gli assemblaggi successivi. Il componente sosterrà il radiatore, i fari, gli indicatori, cablaggi ed altri componenti.

Fig. 1.17

Costo di manodopera

Essendo un processo altamente automatizzato per elevati ratei produttivi il costo di manodopera è tra i più bassi. Solamente i processi di posizionamento del rinforzo continuo sono migliori sotto questo aspetto.

L’uso di rinforzi preimpregnati, il lay-up generalmente automatizzato ed il processo di stampaggio garantiscono una elevata ripetibilità ed affidabilità del processo, inferiore solamente ai processi di posizionamento di rinforzo continuo in cui la disposizione di rinforzo e matrice è esattamente nota e controllata. Il compression molding grazie all’uso di prepreg garantisce un controllo qualitativo molto più semplice rispetto al più complesso processo di injection molding, in quanto l’uniformità della distribuzione di resina e vuoti è garantita dai forntori del materiale e non dal rigoroso controllo del processo.

Vincoli di forma

In compression molding possono essere realizzati i pezzi geometricamente più complessi dall’estensione superficiale molto variabile, tipicamente però inferiori ad 1 m2, possono essere realizzate pareti dalla sezione sottile fino a 1.3 mm, nervature complesse e strutture corrugate e pezzi stampati con inserti (Fig. 18).

Gli unici vincoli sono quelli legati alla sformabilità del pezzo dagli stampi che impedisce la realizzabilità di sottosquadri. Generalmente infatti si trovano solo applicazioni per parti di pannelleria e carrozzeria.

Resa estetica

Insieme al processo di manual prepreg lay-up il compression molding permette il raggiungimento di finiture superficiali ottime e permette la realizazione dell’effetto “Carbon look” tanto ricercato dalle case automobilistiche per valorizzare i propri prodotti. Per questo motivo una classica applicazione di questo processo è la realizzazione in SMC di componenti della carrozzeria, verniciati o meno.

Questo processo di stampaggio presenta anche il vantaggio di poter garantire ottime finiture sulle superfici di entrambi i lati della parte, caratteristica che rende i prodotti compression molded anche non verniciati utilizzabili in tutte quelle applicazioni quali profili aerodinamici, parafanghi, inserti d’arredamento interno a sbalzo, che sono completamente a vista.