La tecnologia dei compositi cosiddetti tessili prevede una modifica dell’intero approccio, sia proget- tistico sia tecnologico, alle questioni inerenti la realizzazione di prodotti in materiale composito con matrici polimeriche termoindurenti.
La considerazione del materiale composito quale efficiente materiale strutturale non cambia quan- do si considera un composito cosiddetto tessile, cioè costituito principalmente con fibre in formato di tessuti di vario tipo. Le funzioni di resistenza sia a carichi primari sia secondari possono essere assolte con grande efficacia dai compositi tessili allo stesso modo dei laminati puri: chiaramente in essi permangono le notevoli proprietà di resistenza e rigidezza in rapporto al peso. E’ possibile af- fermare che l’architettura delle preforme tessili offre uno strumento in più al progettista nella ricerca della giusta combinazione di materiale, struttura e forma tesa al raggiungimento della migliore per- formance. L’ingegneria dei materiali compositi prende in prestito molte strutture presenti in natura, la quale insegna l’opportunità di creare oggetti la cui forma esterna è in stretta sinergia con il formato
interno del materiale costituente, nel comune intento di rispondere alle specifiche sollecitazioni che interverranno lungo tutta la vita utile dell’elemento. Un punto di debolezza che i compositi in tessuto, generalmente, condividono con i laminati non tessuti è quello nei confronti dei danneggiamenti da delaminazione, classico tipo di rottura che caratterizza i compositi commerciali di larga scala. Da ciò scaturisce l’esigenza di disporre di architetture di rinforzo di tipo tridimensionale (3D), capaci di offrire migliori caratteristiche di resistenza a carichi esterni con configurazioni complesse. Punto di riferimento in letteratura è rappresentato da [2].
Le preforme di rinforzo 3D costituiscono il prodotto di tecnologie molto speciali, e sono intese rispondere proprio all’esigenza citata. La loro storia è iniziata, come spesso accade per le tecnologie altamente innovative, nel campo delle applicazioni aerospaziali, con particolare riferimento alla real- izzazione di elementi sicuramente critici per i sistemi concepiti ed utilizzati nella attività del settore. Ugelli di spinta, bordi d’attacco alari, castelli-motore, sezioni terminali di prua hanno infatti trainato lo sviluppo di questa tecnologia, stimolando lo studio e la soluzione di problemi strutturali connes- si con l’insieme unico di estreme sollecitazioni termiche e meccaniche cui essi normalmente sono sottoposti in maniera congiunta.
Anche se le proprietà meccaniche del classico laminato composito sono soddisfacenti nelle due di- rezioni contenenti il tessuto di rinforzo, le proprietà meccaniche nella terza direzione dove la matrice domina è tipicamente inferiore di più di un ordine di grandezza rispetto alla direzione del rinforzo. Questo problema è specialmente critico in applicazioni caratterizzate da elevati stress termici. La ovvia soluzione è aggiungere fibra di rinforzo lungo la terza direzione e lungo direzioni ulteriori se necessario, cercando di realizzare materiali compositi attraverso un approccio isotropo quale quello dei metalli. Con lo sviluppo delle tecniche di realizzazione di rinforzi multidirezionali oggi si pro- gettano e si realizzano macchine semiautomatiche con lo scopo di ridurre i costi delle preforme e di aumentarne la qualità attraverso l’eliminazione degli errori potenziali associati alle attività di as- semblaggio manuale. Ad oggi sono operanti tessitrici tridirezionali completamente automatiche e controllate elettronicamente.
Classificazione e proprietà: intessuti - non ondulati - magliati - intrecciati
Nello studio di preforme di rinforzo in tessuto per materiali compositi, è possibile effettuare vari tipi di classificazioni, in base alla considerazione di dimensioni spaziali coperte dalle fibre, direzioni delle fibre nella superficie della preforma, lunghezza delle fibre, ma soprattutto in base al metodo di tessitura.
La classificazione principale è quindi da attuare in base al metodo specifico utilizzato per realiz- zare i tessuti. Essi possono essere:
1. intessuti; 2. non ondulati; 3. magliati (knitted);
4. intrecciati (braided).
Come è facile intuire, la classificazione mostrata si basa sostanzialmente su strutture di derivazione bidimensionale, la cui nascita è dovuta alla ricerca di metodi che consentissero di operare la lami- nazione di qualunque manufatto in maniera poco dispendiosa, dal punto di vista della mano d’opera impiegata. Infatti, appare immediatamente evidente ed è ben nota la difficoltà di realizzare qualunque laminato, partendo dalla disposizione dei singoli roving (fili) di fibre nella configurazione desiderata: questo accade solo con l’utilizzo di tecnologie altamente automatizzate e limitate alla realizzazione di geometrie semplici. Si tratta di forme assialsimmetriche, se si pensa al Filament Winding, a profilati con una dimensione prevalente, per la pultrusione, a forme leggermente più complesse per l’over- braiding. Oppure il processo avviene con elevatissimi costi operativi, come nel caso dell’autoclave dove, tuttavia, i roving di fibre sono raccolti in nastri preimpregnati di varia grammatura. Senza considerare necessariamente il lay-up (deposizione) manuale, che ancora gioca una parte di grande importanza nelle produzioni di largo consumo, anche tecnologie differenti da quelle citate, come per esempio quella del sacco in pressione, traggono dal vantaggio dal disporre di preforme di sole fibre tessute da impregnare per la realizzazione del pezzo finito.
Esiste, però, un effetto indesiderato che l’utilizzo di preforme in tessuto, in luogo di lamine pura- mente unidirezionali sovrapposte con sequenze ben definite, produce. Qualunque tipo di tessuto viene realizzato tramite uno schema di mutua interconnessione dei roving di fibre. Questo porta le fibre di rinforzo a perdere la propria originaria linearità, e tale aspetto si mantiene ovviamente inalterato nel composito. Il problema che si pone, quindi, è quello della frazione di proprietà meccaniche iniziali delle fibre trasferita efficacemente al composito, una volta che la preforma sia stata definitivamente inglobata nella matrice (proprietà di trasferimento).
Tutte le considerazioni appena fatte si applicano invariabilmente ai tessuti 2D e alle preforme 3D. Ognuna delle strutture classificate è un tentativo di mediazione tra le buone caratteristiche mecca- niche finali del prodotto e la facilità di produzione del manufatto, con una tendenza maggiore verso l’uno o verso l’altro estremo nel passaggio da una struttura all’altra. Quella di più immediata e natu- rale concezione è di sicuro la preforma intessuta, con le sue varianti - plain e twill weave e tutti gli n-harness satin(con n che assume valori da 3 a 8). La caratteristica principale di tale preforma è la sua spiccata anisotropia (avendo fibre disposte sostanzialmente nelle uniche due direzioni principali del piano), che ovviamente viene ritrovata nelle caratteristiche finali del composito. Allo scopo di conferire alla struttura un incremento di prestazioni meccaniche anche in diverse direzioni, vengono realizzati tessuti a ordito tridirezionale, nei quali i roving sono disposti secondo tre direzioni del pi- ano, equispaziate nella loro mutua angolazione: questo tipo di tessitura produce anche l’effetto di migliorare sensibilmente la debole risposta della struttura alle sollecitazioni di taglio parallelamente al piano della lamina.
Nel caso tridimensionale (woven 3D) nella sua concezione di base la preforma presenta un ordine di roving disposti parallelamente in un’unica direzione (asse Z) a costituire l’ordito 3D; essi vengono poi interconnessi con i roving costituenti la trama 3D, detta trama multipla, i quali completano la struttura multistrato attraverso il collegamento contemporaneo sia tra i roving di uno stesso piano XY
sia tra i roving di piani paralleli posti a quote Z diverse. E’ la cosiddetta struttura completamente integrata, particolarmente indicata per manufatti dalla geometria esterna semplice e con sezione retta piena. La connessione tra diverse lamine può essere effettuata anche tramite uno o più fili di gram- matura inferiore a quella dei fili principali del tessuto; come si dirà più avanti, questa configurazione è sufficiente a creare un ottimo rinforzo della struttura nella terza dimensione.
Figura 1.17: Examples of 3D woven preforms: (a) cylinder and flange; (b) egg crate structures; (c) turbine rotors woven by Techniweave Inc.; and (d) various complex shapes woven by Shikishima Canvas Co., Ltd. (Courtesy of the Techniweave Inc. and Shikishima Canvas Co. Ltd.) [3]
Nel caso iniziale 2D (ma non di meno nel caso 3D), la preforma intessuta presenta notevoli lim- itazioni, sia dal punto di vista delle proprietà trasferite al materiale finale (a causa dell’ondulazione dei roving di fibre, sia della adattabilità offerta all’operatore nel modellare la lamina sullo stampo) per via della rigida trama di mutua interconnessione dei roving. In considerazione di tale evenienza, gli altri tipi di tessuto elencati migliorano l’una o l’altra delle due citate caratteristiche.
I tessuti non ondulati vanno ovviamente nella direzione della preservazione delle proprietà mec- caniche delle fibre, non alterandone la linearità in sede di fabbricazione della preforma (es. Dynan- otech di Angeloni). Nel caso 2D, la struttura si presenta non dissimile dalla geometria di un qualunque laminato puro, con lamine che presentano orientazioni diverse qualunque nel piano (i multiassiali); l’unica variante è costituita dalla connessione permanente (anche “a secco”) delle varie lamine, real- izzata con un filo unico (spesso di materiale polimerico, generalmente termoplastico) che attraversa le lamine in punti regolarmente spaziati, così da formare quello che viene generalmente detto stitching
(cucitura), o anche knitting (magliatura) a indicare il tipo di trama disegnata dalla cucitura stessa. I multidirezionali sono quindi costituiti da due o più strati di fili unidirezionali e paralleli, sovrapposti e cuciti insieme. La disposizione rettilinea e non intrecciata dei fili, consente di eliminare i punti di stress meccanico localizzati nelle intersezioni tra trama ed ordito nei tessuti convenzionali.
Figura 1.18: Tessuti multiassiali (non-ondulati) I principali vantaggi dei multiassiali rispetto ai tessuti sono:
• Orientabilità delle fibre sui differenti assi • Miglior resistenza alla fatica
• Miglior resistenza agli impatti • Alta densità delle fibre
• Costo di produzione inferiore • Maggiore drappabilità
Nel caso 3D, invece, la struttura è banalmente descritta come la regolare alternanza di un prefissato numero di roving in ognuna delle tre direzioni dello spazio; qui le direzioni delle fibre possono di- ventare 5 (costruzioni 5D) se vengono alternati piani a diverse quote Z recanti fibre disposte secondo le diagonali del piano stesso.
In questi casi, una importante variabile in possesso del progettista nella definizione delle caratter- istiche meccaniche presentate dalla preforma è il numero relativo di roving disposta in ognuna delle tre dimensioni dello spazio: variando tale numero, è possibile definire le proprietà della struttura singolarmente nelle tre direzioni; a tale proposito, è opportuno citare la rilevazione empirica che fa notare come già il 10% in volume sul totale del composito finale sia un ammontare di fibre sufficiente - da disporre nella terza dimensione di un laminato - per soddisfare le esigenze di molte applicazioni, anche di tipo altamente avanzato e di elevate caratteristiche e prestazioni come quelle del settore aerospaziale. Le preforme 3D non ondulate si presentano spesso in una forma cilindrica (calza), nelle quali le direzioni X e Y divengono rispettivamente la direzione radiale e circonferenziale, con direzione Z immutata.
Figura 1.20: Geometria di preforma wave 3D polare
Quando si necessita di forme non assialsimmetriche, quali bordi d’attacco, transizioni da cono a rettangolo, è utilizzato un processo a due stadi. Il primo stadio consiste nella tessitura di un tessuto dalla geometria appropriata. Poi, la preforma è piazzata in uno stampo metallico, deformato alla forma desiderata ed impregnato secondo le tecniche RTM che va a garantirne la stabilità geometrica.
Figura 1.21: Deformazione di preforma cilindrica 3D a formare un bordo d’attacco
Se con i tessuti non ondulati lo sforzo verso il miglioramento delle proprietà meccaniche allontana dalla considerazione dei fattori tecnologici, nella direzione opposta vanno i tessuti magliati.
I tessuti magliati possono essere suddivisi in due categorie, weft e warp, che differiscono nel fatto che il primo tipo viene magliato in direzione orizzontale, mentre il secondo nella direzione verticale.
Figura 1.22: Tessuto magliato di tipo warp e weft
Essi sono concepiti con lo scopo di fornire una migliore conformabilità della preforma a geometrie complesse dello stampo che realizzerà il prodotto finito. La struttura della maglia presenta caratter- istiche di integrazione superiori rispetto alla struttura intessuta, che consentono, anche in presenza di sensibili deformazioni della geometria originaria, di non generare zone di perdita della integrità delle interconnessioni del reticolo. La compattezza della costruzione realizzata dalla maglia è molto inferiore a quella che caratterizza le due strutture descritte in precedenza (intessuta e non ondulata), risultando in un reticolo di tipo molto più aperto: ciò si traduce ovviamente in una minore percentuale totale di rinforzo ottenibile nel composito, ma certamente vengono aumentate le possibilità di ot- tenere una totale e più uniformemente distribuita impregnazione delle fibre in sede di operazione con tecnologie per trasferimento di resina (RTM).
Allo scopo di aumentare la stabilità della maglia, spesso si adotta la soluzione dell’inserimento nella struttura di vari ordini di roving lineari: essi possono essere posti in quantità e direzioni variabili in funzione delle esigenze dettate dalla specifica applicazione da realizzare: è tipica la costruzione caratterizzata dall’inserimento dei roving addizionali sia nelle due principali direzioni di trama e or- dito, sia nelle due direzioni diagonali. E’ esattamente questa la procedura adottata per realizzare preforme 3D appartenenti a questa classe di strutture tessute. Appare chiara la possibilità, con il metodo appena citato, di calibrare le proprietà della preforma nella misura desiderata in funzione delle varie direzioni, nonché la disponibilità di uno strumento per conferire la stabilità della strut- tura ritenuta più opportuna per ogni particolare direzione dello spazio. Sottolineando la possibilità offerta di regolare la grammatura relativa dei roving in ogni ordine e direzione nella maglia, è il caso di notare che il limite posto all’aumento della quantità di roving lineari, contemporaneamente alla riduzione dello spessore dei roving costituenti la maglia vera e propria, è posto dal raggiungimento della struttura non ondulata più classica, già esposta in precedenza; si ricorda che essa viene realizzata quando un unico filo di tessitura a maglia viene utilizzato per connettere più ordini planari di roving lineari strettamente impacchettati.
Con il tessuto intrecciato (braided) si ritorna verso una struttura di grande compattezza, in cui i roving sono strettamente interconnessi, lasciando ben poco spazio ai vuoti del reticolo. Le preforme intrecciate esistono in vari formati, da quello puramente planare a quello tubolare - sia cavo sia pieno - e naturalmente anche in forma tridimensionale. Il tessuto può essere strutturato sia per offrire una grande conformabilità allo stampo, sia per conferire al composito grande resistenza in determinate
direzioni dello spazio: quest’ultima caratteristica viene concretizzata dall’inserzione nel reticolo di roving lineari nelle direzioni volute (di solito parallelamente all’asse longitudinale principale del tes- suto, ottenendo così elevate prestazioni in trazione lungo tale asse). Un difetto dei materiali realizzati con queste preforme è la scarsa resistenza a sollecitazioni di compressione, anche se dirette lungo l’asse del rinforzo lineare inserito.
Figura 1.23: Preforma 3D braided (fonte 3tex.com)
Esiste testimonianza in letteratura della possibilità di variazione da introdurre nel processo di tessitura della treccia, allo scopo di ottenere preforme near - net - shape per particolari manufatti. Sono state realizzate forme di varia natura: profili scatolati, sezioni a U, a T, a doppio T, nonché manufatti assialsimmetrici con profili variamente complessi. E’ inoltre possibile deformare preforme braided cilindriche (calze) a formare geometrie di diverso tipo poi cucite (stitching composites Fig. 1.24)
Figura 1.24: Il tubo braided è deformato in una forma ad H e cuciture vengono eseguite lungo le linee tratteggiate
Figura 1.25: Preforma realizzata in overbraiding
Con l’utilizzo di preforme tridimensionali sono state realizzate applicazioni in materiale compos- ito con tutte le classi di matrici: esistono prodotti con rinforzi 3D con matrice metallica, ceramica, di carbonio, e ovviamente, polimerica. Dal punto di vista delle proprietà mostrate dai compositi polimerici con rinforzi 3D, le maggiori differenze in positivo rispetto ai laminati puri si registrano per la resistenza alla delaminazione - la quale è praticamente assente in questi materiali - e per la capacità di assorbimento di energia da sollecitazioni di impatto.