Descrizione della tecnologia

La tecnica di base consiste nel disporre e fissare stabilmente la fibra di rinforzo all’interno dello stampo e controstampo, che viene chiuso realizzando la forma voluta e nell’iniettare resina liquida in pressione. Il rinforzo (preforma) può contenere inserti di schiuma rigida o altri materiali, mentre la polimerizzazione è realizzata da una resina termoindurente. Vi sono molte varianti di questo semplice approccio, sviluppati per aumentare la velocità di produzione, per ridurre i costi di attrezzatura, per aumentare le proprietà. Le varianti più importanti di questa tecnologia sono brevemente descritte di seguito:

STRUCTURAL REACTION INJECTION MOLDING (SRIM): si basa sulla chimica del poliure- tano. L’alta reattività di questo materiale, una volta miscelato, porta ad un suo fluire molto rapido e completo all’interno della fibra. La chiave del processo SRIM sta nel raggiungimento della desiderata bassa viscosità reattiva in una testa di miscelamento ad impingement posto sullo stampo riscaldato. La realizzazione della pressione di iniezione è demandata ad un cilindro idraulico o ad una lancia. La velocità di ingresso è controllata per poter modificare il tempo di processo o le proprietà del polimero. I serbatoi di stoccaggio separati sono di solito riscaldati ed agitati, mentre i reattivi sono fatti ricirco- lare dalla testa di miscelamento ai serbatoi periodicamente in modo da mantenere l’intero sistema ad una temperatura prestabilita. Molti materiali sono sensibili all’umidità, il che richiede che i reattivi siano conservati sotto una copertura di azoto secco. Anche se i reattivi sono stabili se separati, una volta miscelati la polimerizzazione è molto rapida. Quindi per questo motivo è necessario liberare il dispositivo di miscelamento da ogni residuo di materiale a seguito di ogni iniezione. E’ora comune la presenza di un sistema di autopulizia della testa di miscelamento per impingement. Uno schema del processo è rappresentato in Fig. 2.13 , mentre un confronto sintetico tra RTM e SRIM è riportato in Tab. 2.2 .

Figura 2.13: Schema del processo

Tabella 2.2: Confronto tra RTM e SRIM

La maggiorparte delle attrezzature dei processi reactive coinvolgono due flussi. Occasionalmente un terzo flusso è utilizzato per aggiungere pigmenti. Elevati ratei produttivi e quindi di flusso necessi- tano che la risposta dinamica del sistema sia molto veloce, e che quindi il controllo del flusso sia molto

rigoroso. Per pistoni e per le lance alimentate da pompe questo è monitorato da trasduttori lineari. At- tuatori idraulici sono usati solamente per i dispositivi distributori. In funzione di quali materiali siano processati, la temperatura dei reattivi può essere compresa tra i 30 e i 200°C, anche se per gli uretani di solito si attesta tra i 50 e i 90°C. I serbatoi e la struttura devono essere mantenuti alla necessaria temperatura per mezzo della circolazione di olio o acqua, mentre la linea di iniezione è mantenuta calda dalla circolazione dei reagenti. Per sistemi ad alta viscosità, le tracce di riscaldamento sono applicate sia per la linea di flusso della resina sia per le attrezzature.

VACUUM-ASSISTED RESIN INJECTION (VARI): gli stampi sono di solito dotati di uno sfogo. Un vuoto parziale è applicato per promuovere la morsa dello stampo, la compattazione del rinforzo ed aumentare il gradiente di pressione per l’impregnazione. La riduzione della pressione interna minimizza le deformazioni dello stampo, cosa che è particolarmente importante nella produzione di pezzi di grande dimensione con stampi leggeri e di basso costo. Studi hanno dimostrato che la riduzione di sacche d’aria garantita dal parziale vuoto che permette una bagnabilità migliore delle fibre assicura un forte miglioramento delle proprietà meccaniche.

VACUUM INFUSION (VARTM, SCRIMP): logica evoluzione del VARI è evacuare la cavità del- lo stampo completamente prima dell’impregnazione. Questa tecnica ha due importanti applicazioni:

• La realizzazione di composite per uso aerospaziale con basse frazioni di vuoto • Produzioni con bassi investimenti iniziali per mezzo di attrezzature flessibili

Nel primo caso il vuoto (1-5 nn Hg) è generalmente accompagnato da una pressione positiva della resina iniettata, mentre nel secondo caso la resina è generalmente a pressione ambiente. Questo processo è comunemente chiamato VARTM, RIFT, SCRIMP ed è descritto in un altri paragrafi.

Nei vacuum-injection process il principio di funzionamento è che la cavità dello stampo ermetica, contenente una preforma, sia creata tra il sacco a vuoto e uno stampo relativamente rigido. Questa cavità è poi evacuata facendo in modo di compattare il rinforzo e rimuovere l’aria residua. La resina è poi introdotta nella cavità (di solito attraverso una linea di alimentazione periferica) ad impregnare il rinforzo avanzando verso il punto di aspirazione centrale. Finchè il processo è realizzato a pressione atmosferica, il grado di rigidezza richiesta nell’attrezzatura è minimo. Lo stampo è generalmente un laminato in resina epossidica e fibra di vetro ricoperto da uno strato di gel coat con una matrice calda incassata in una struttura solida in resina epossidica. Finchè la differenza di pressione adottata è limitata ad 1 bar, la velocità della resina è minore di quella che si ha in un RTM convenzionale. Ma il fluire della resina dai distributori periferici può non essere abbastanza veloce e il tempo di riempimento quindi proibitivo per pezzi di grande dimensione. Perciò vengono utilizzati tessuti dalla maggiore permeabilità. Mentre la creazione di passaggi preferenziali del flusso attraverso la preforma è indesiderabile in quanto per l’eliminazione completa dell’aria è necessario un fronte di riempimento uniforme, la presenza del vuoto comporta una forte riduzione del pericolo di intrappolamento di sacche d’aria.

RESIN-FILM INFUSION (RFI). Questo processo viene spesso confuso con il tradizionale au- toclave molding e vacuum infusion. Per guidare l’impregnazione è utilizzato un singolo stampo in combinazione con un sacco a vuoto. La resina è introdotta sotto forma di film o pallini solidi con-

temporaneamente al rinforzo. Il materiale di partenza viene accluso come nel convenzionale sacco a vuoto e l’assemblato ottenuto è portato attraverso un ciclo di riscaldamento e pressione a ridurre la viscosità della matrice sufficientemente per l’impregnazione prima nello stato di gel e poi per la cura. Il costo dei materiali è inferiore rispetto all’utilizzo di prepreg, e proprietà di alto spessore possono essere ottenute per mezzo di tessuti tridimensionali o dal ricamo complesso. Il campo maggiormente di attrattiva per l’RFI è probabilmente la realizzazione di grandi superfici. Finchè il flusso va su tutto lo spessore le dimensioni in piano sono relativamente poco importanti, al contrario del convenzionale RTM in cui la loro influenza sul tempo di riempimento è molto importante.

INJECTION-COMPRESSION MOLDING: si realizza caricando la preforma, chiudendo parzial- mente la cavità dello stampo (Fig. 2.14), ed iniettando una quantità misurata di resina. Di quanto la metà superiore dello stampo viene tenuta distante dalla sottostante durante l’iniezione nella pratica varia, ma generalmente la distanza consiste in una piccola frazione dell’altezza della cavità. Un pic- colo aumento in spessore porta però ad un grande aumento della permeabilità della preforma; questo perchè la resina può essere iniettatta in modo relativamente veloce. Fino a quando la carica di resina è iniettata nella cavità espansa, questa impregnerà solo una porzione della superficie finale della parte. Il colpo di pressa finale va a colmare la distanza supplementare che era stata lasciata per migliorare la permeabilità e va a chiudere lo stampo sulla forma del pezzo finale, realizzando l’azione penetrante necessaria per causare il fluire nel piano della resina che va a riempire ogni cavità. Questa tecnica è stata utilizzata con successo nella realizzazione di spoiler automobilistici.