Modelli di avvolgimento

I tre modelli base di filament winding sono a elica, polare (o planare) e a cerchio (vedi Figura 2.20).

Figura 2.20: Modelli base di filament winding. (a) A elica. (b) Polare. (c) A cerchio.

Nell’avvolgimento ad elica, il mandrino ruota più o meno continuamente mentre il carrello che porta la fibra va avanti ed indietro ad una velocità regolata in modo da creare il desiderato angolo di avvolgimento ad elica Il normale modello di avvolgimento fornisce giri multipli ad elica. Dopo il primo giro, le fibre applicate non possono essere adiacenti. Se risultano adiacenti, ciò viene chiamato modello ad un giro. Se sono richiesti tre giri per avere la striscia di fibre vicino alle fibre di inizio, si parla di modello a tre giri. Il modello ad elica è caratterizzato da incrociamenti di fibre in certi punti lungo il mandrino. La quantità di incrociamenti aumenta col numero di giri per modello. Uno strato consiste di un laminato con due plies ad angolo più o meno bilanciato. Le rivoluzioni del mandrino per giro variano con l’angolo di avvolgimento, con la larghezza della striscia, col fine sosta e con la lunghezza complessiva del recipiente.

L’avvolgimento di plies ad angolo, se effettuato con un programma a elica che non copre comple- tamente la superficie del mandrino con ogni passaggio, si risolve in uno strato a two−ply in cui i due angoli sono sparpagliati.

Una tecnica con avvolgimento polare può applicare strati laminati in un modo simile, ma le fibre non vengono depositate su una superficie curva per l’estensione minore. Ciò può causare aumentata tendenza allo slittamento delle fibre con possibile riduzione finale della resistenza al carico.

Il vantaggio dell’avvolgimento ad elica è la maggiore versatilità. Quasi tutte le combinazioni di diametro e lunghezza possono essere avvolte bilanciando l’angolo di avvolgimento e i giri. Minori ag- giustamenti possono essere ottenuti mediante cambiamenti della larghezza della striscia, dell’angolo di avvolgimento e della pausa.

Nell’avvolgimento polare, la fibra passa tangenzialmente alla apertura polare ad una estremità della camera, inverte la direzione e passa tangenzialmente dalla parte opposta della apertura polare all’altra estremità. Un modello ad un giro è connesso all’avvolgimento polare. Gli avvolgimenti vengono realizzati da un braccio che segue un ampio percorso circolare e il modello di lay−down è planare. Poiché il mandrino è regolato in modo da avanzare della larghezza di una striscia per ogni rotazione, successive striscie giaceranno adiacenti le une alle altre.

Il principale vantaggio del polar (o planar) winding è la sua semplicità. Non c’è nessuna inversione di spostamento e può essere mantenuta una velocità costante di avvolgimento. Comunque, dato che il percorso della fibra non è un elica, non è il percorso più breve della fibra tra diversi punti. Questo può portare ad uno scivolamento delle fibre durante il wet winding e a valori finali più bassi della pressione dei recipienti.

Sono anche conosciuti modelli a cerchio con avvolgimenti a 90° o circonferenziali (circ).

Parlando rigorosamente, l’hoop winding è un avvolgimento ad elica con un angolo ampio che si avvicina ai 90°. Ogni rotazione completa del mandrino fa avanzare il distributore della larghezza di una intera striscia. La macchina per l’avvolgimento è molto simile ad un tornio in cui la velocità del mandrino è molto maggiore della corsa del carrello. Hoop winding sono generalmente combinati con avvolgimenti longitudinali (helical o polar) per produrre una struttura con bilanciamento dello stress. Modelli di avvolgimento a cerchio vengono applicati alla sezione cilindrica di un tubo ad estremità chiusa, mentre modelli ad elica e polari rinfozano sia il cilindro sia le cupole.

Crossovers

Una delle maggiori differenze tra i compositi laminati in filament-wound e quelli prodotti con altri metodi è la presenza di incrociamenti. Quando una struttura è avvolta ad elica con strisce di fibre di una larghezza tale che attraversandola da una estremità all’altra, l’oggetto non viene coperto comple- tamente, il risultato saranno gli incrociamenti. Modelli di filament winding ad elica piuttosto che di tipo polare, vengono scelti per tutte le strutture in cui il rapporto lunghezza/diametro è ≥ 2, poiché ci si può aspettare che i modelli di avvolgimento polare scivolino durante la fabbricazione, quando ven- gono sottoposti a curing e quando sono sotto carico. La quantità di crossovers dipende dalla larghezza della striscia e dal numero di giri per modello. L’analisi del progetto del composito con crossovers è più complicata di quella per strati distinti.

Quando recipienti a pressione vengono caricati con incrementi molto alti ( ad es.un passaggio in 10−20 microsecondi dalla pressione atmosferica a quella di scoppio) essi generalmente cedono

a livello dei crossover. Esistono prove secondo cui la resistenza ad uno sforzo ciclico viene ridotta leggermente quando vengono usati i crossovers. Quando gli strati vanno da 5 a 10 millesimi di pollice di spessore i valori sono molto vicini a quelli di strutture che hanno layers distinti. In alcune valutazioni, come nelle prove di resistenza a flessione su travetta, sembra che il numero di crossover possa aumentare l’apparente resistenza a flessione condizionando la modalità desiderata di cedimento. In piccoli tubi per il lancio di missili, i crossovers forniscono un beneficio addizionale.

Se essi si trovano nella superficie interna, possono impedire che le strisce e i tows si srotolino o si strappino da una estremità del tubo all’altra. Nelle parti che non hanno crossovers, ciò è probabile che avvenga , specialmente quando singole fibre non sono state completamente fissate alla matrice resinosa.

Anche un tubo avvolto con modalità elicoidale senza crossovers può cedere sotto uno stress di trazione per staccamento di fibre trasversali. Alcuni hanno consigliato un strato interno circolare per evitare questa modalità di rottura.

Poiché i due strati elicoidali che formano ogni angolo del ply sono intrecciati ai crossovers, esiste un certo grado di resistenza alla rottura almeno tra due plies ad angolo.

Strisce di tows possono conformarsi a forme estreme senza distorsioni o curvamenti o senza venire forzate o tese. Questo avviene perché ogni striscia in un tow può essere di qualunque lunghezza relativamente alle altre e può essere libera di scivolare , almeno nei sistemi wet−winding e in alcuni prepreg quando vengono riscaldati.

E’possibile nel filament winding che quando, per esempio, due strisce, si incrociano, lo spessore totale all’incrociamento possa risultare minore del totale spessore delle due strisce, o minore dello spessore di una striscia, in funzione della possibilità di allungamento. Naturalmente la larghezza della striscia ai nodi sarà maggiore, in relazione alla riduzione in spessore. Questa tecnica può essere usata vantaggiosamente per costruire strutture di uso pratico come una isogriglia senza la necessità di un mandrino complesso scanalato e senza accumulo di fibre addizionali ai nodi.