1.3 I processi di fabbricazione
1.3.2 I materiali polimerici e i processi di fabbricazione associati
Siccome in questo progetto si vuole studiare la realizzazione di una colonnina di ricarica in materiale plastico è stato eseguito uno studio sulle principali tipologie esistenti e le loro caratteristiche.
Una prima considerazione è in riferimento agli additivi supplementari, i quali vengono miscelati ai polimeri al fine di fornire loro alcune caratteristiche particolari. Esistono tantissime tipologie, di seguito alcuni esempi:
• Coloranti
• Additivi antimicrobici (protezione da formazione muffa)
• Agenti stabilizzattori (protezione UV e HALS)
• Agenti antiossidanti (protegge il polimero durante il processo di fabbricazione)
• Agenti sbiancanti fluorescenti (dare brillantezza)
• Ritardanti di fiamma (protezione incendi)
• Agenti lubrificanti (materiale autolubrificante)
Di seguito sono state analizzate le due macrocategorie di polimeri: i termoplastici e i termoindurenti
I polimeri termoplastici:
Il legame che si instaura tra le catene polimeriche è di tipo non covalente, legami deboli impediscono lo strisciamento rendendo solido il materiale. La disposizione delle catene organiche può essere di tipo amorfo (groviglio) oppure semicristallino (ordine parziale dei filamenti). Un aumento di temperatura causa l’eliminazione di questi legami e quindi una fusione del materiale. Questa caratteristica rende il materiale rifondibile infinite volte e quindi riciclabile. Bisogna però prestare attenzione alla degradazione delle catene nel tempo che causa una diminuzione dell’ I.P. (indice di polidispersità). Questo limita la possibilità di riutilizzo del materiale termoplastico.
Esistono molteplici tipologie di materiale in riferimento alle caratteristiche chimico fisiche necessarie.
Questi materiali possono essere suddivisi in 2 macrocategorie:
• Materiale semplice: la forma piu semplice. L’assenza di fibre di rinforzo strutturale comporta caratteristiche meccaniche limitate
Figura 11: piramide materiali termoplastici
• Materiale composito: è possibile inglobare delle fibre inorganiche (es. vetro, carbonio,..) nel materiale polimerico per aumentare le caratteristiche meccaniche. Questa categoria contiene diverse tipologie di compositi realizzabili con diverse tipologie di processo. Le caratteristiche meccaniche ottenibili sono inferiori rispetto ai compositi ottenuti mediante termoindurenti. Come collante per il materiale inorganico vengono adoperati dei termoplastici.
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic):
compositi da pellet caricati con fibre con lunghezza massima di 1mm (0.3-1mm).
Rappresenta l’85% dei materiali compositi attualmente in uso. Questa conformazione è realizzabile mediante stampaggio a iniezione, combinato e compressione.
Figura 12: pellet caricato fibra corta
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics): in questa configurazione di composito la lunghezza delle fibre è limitata dalla dimensione del pellet che hanno una lunghezza tra 6 e 25 mm. Questa conformazione, come la SFT, è realizzabile mediante stampaggio a iniezione, combinato e compressione.
Figura 13: pellet caricato fibra lunga
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre continue (CFRT- Continuous Fiber Reinforced): vasta gamma di prodotti con fibre continue preimpregante di materiale polimerico termoplastico. Questa categoria comprende tessuti unidirezionali, bidirezionali, nastri stretti e fibre miste sotto forma di foglio.
▪ La co-tessitura: tessuto composto da fibre di rinforzo inorganiche intrecciate con fibre in polimero. Questo possiede buone caratteristiche di drappaggio (prestare attenzione al fatto che si potrebbe verificarsi una distribuzione non uniforme delle fibre nel materiale durante la formatura)
Figura 14: co-tessitura
▪ La tecnica a matrice intrecciata: preimpregnato in cui il polimero avvolge la fibra di rinforzo inorganica. Questo metodo garantisce una migliore ridistribuzione della resina rispetto alla co-tessitura. Fibre inter-disperse per ottenere tessuti da adoperare nella formatura.
Figura 15: composito a matrice intrecciata
▪ L’impregnatura con polvere: combinazione delle fibre inorganiche con una polvere di polimero. Siccome la resina non deve scorre per raggiungere tutte le posizioni dello stampo questo processo è adatto alle grandi velocità di fabbricazione.
Figura 16: preimpegnato con polvere polimerica
▪ Tessuto preimpregnato il cui filamento è composto da filamenti polimerici e fibre inorganiche di rinforzo. Processo che permette la realizzazione di compiti strutturali ad alta resistenza (i più resistenti). Questo metodo richiede tempi di lavorazione più lunghi a temperature maggiori.
Figura 17: filamenti compositi
I processi di fabbricazione associati ai termoplastici
Di seguito sono riportati i materiali plastici termoplastici precedentemente descritti, i quali sono stati associati ai vari processi di fabbricazione utilizzabili per la loro produzione. Nel capitolo “informazioni aggiuntive sui processi di fabbricazione per termoplastici” sono stati analizzati in dettaglio i processi adatti alla realizzazione della colonnina di ricarica delle auto elettriche.
• Processo di stampaggio a iniezione o Materiale non caricato
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic) o Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics)
• Processo di stampaggio a compressione o Materiale non caricato
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic) o Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics) o Compositi termoplastici da preimpregnati rinforzati a fibre continue (CFRT- Continuous
Fiber Reinforced)
▪ La co-tessitura
▪ La tecnica a matrice intrecciata
▪ L’impregnatura con polvere
▪ Tessuto preimpregnato il cui filamento è composto da filamenti polimerici e fibre inorganiche di rinforzo.
• Processo di stampaggio a inietto compressione (combinato) o Materiale non caricato
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic) o Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics)
• Processo di termoformatura o Materiale non caricato
o Compositi preimpregnati dedicati
I polimeri termoindurenti
In questa tipologia di polimeri il legame tra le catene è garantito mediante legame covalente. Questo viene creato tramite una reazione chimica esoenergetica. Trattandosi di una reazione irreversibile i materiali termoindurenti non sono riciclabili. Anche per questa categoria di polimeri esistono svariate tipologie per soddisfare tutte le necessità del mercato globale. Esistono 2 sottocategorie come per i materiali termoplastici:
• Materiale semplice: la forma più semplice. (es. polistirolo, …). L’assenza di fibre di rinforzo strutturale comporta caratteristiche meccaniche limitate
Figura 18: resine termoindurenti
• Materiale composito: è possibile inglobare delle fibre inorganiche (es. vetro, carbonio, ...) nella matrice termoindurente per aumentare le caratteristiche meccaniche. In questa categoria sono contenute diverse tipologie di compositi realizzabili con diverse tipologie di processo. Come collante per il materiale inorganico vengono adoperate diverse tipologie di termoindurenti a seconda delle caratteristiche richieste.
o CFRC: composito in fibra di carbonio con orientamento unidirezionale. Prestazioni superiori ai tradizionali SMC in merito alla facilità di lavorazione
o SMC (Sheet Moulding Compound): composito con fibre di vetro o carbonio con lunghezza compresa tra 12 e50mm. Questo materiale di rinforzo viene solitamente fornito mediante fogli lunghi 1300mm e con spessore di 2-3mm. L’SMC è adatto per il processo di stampaggio a compressione. Queste fibre molto lunghe permettono di realizzare manufatti di grandi dimensioni con proprietà meccaniche elevate. Si trovano sul mercato diverse tipologie di tessuto: unidirezionale, bidirezionale, random, … o BMC o DMC (Bulk moulding compound): composito rinforzato con fibre (carbonio o
vetro) di lunghezza compresa tra 3 e 24mm.Il materiale BMC è adatto per un processo di stampaggio a iniezione, a compressione e a inietto-compressione. Questa tipologia di materiale è disponibile sul mercato sotto forma di una massa omogenea.
o CF SMC (Carbon Fiber Sheet Moulding Compound): composito con fibre di carbonio random con lunghezze comprese tra 10 e 50 mm. La componente inorganica si trova tra due strati di polimero. Composito direttamente pronto per il processo di formatura.
o RTM (resin transfer molding): materiale finale simile a SMC. Questa denominazione viene attribuita ad un processo di iniezione su fibre precedentemente depositate nello stampo. I materiali lavorabili con questo processo sono solo termoindurenti (no termoplastici)
o ARTM: composito analogo a RTM ottenuto mediante processo di iniettocompressione o VARTM: composito analogo a RTM ottenuto mediante processo di termformatura
sottovuoto.
Figura 19: SMC SX, BMC, CF SMC DX
I processi di fabbricazione associati ai termoindurenti
Di seguito sono riportati i materiali plastici termoindurenti precedentemente descritti, i quali sono stati associati ai vari processi di fabbricazione utilizzabili per la loro produzione. Siccome non sono obiettivo di questo progetto non è presente uno studio approfondito in riferimento alla produzione di queste tipologie di materiali polimerici
• Processo di stampaggio a iniezione o Materiale non caricato
o Materiale caricato fibra BMC (Bulk moulding compound) o RTM (resin transfer molding)
• Processo di stampaggio a compressione o Materiale non caricato
o Materiale caricato fibra SMC (Sheet Moulding Compound) o Materiale caricato fibra BMC (Bulk moulding compound)
o Materiale caricato fibra CF SMC (Carbon Fiber Sheet Moulding Compound) o CFRC (fibra di carbonio unidirezionale)
• Processo di stampaggio a inietto compressione (combinato) o Materiale non caricato
o Compositi BMC (Bulk moulding compound) o Compositi ARTM
• Processo di termoformatura o Materiale non caricato
o Compositi SMC (Sheet Moulding Compound) o Compositi CF SMC (fibra di carbonio) o Compositi VARTM