Tecniche di giunzione

Uno dei vantaggi importanti dei compositi è la grande varietà di possibili tecniche di giunzione [26]. I compositi termoplastici possono essere collegati con le convenzionali tecniche di giunzione meccanica (chiodature, viti e bulloni) ma anche con diversi metodi di saldatura (per fusione, a resistenza, a ultrasuoni, a induzione, ecc.).

L’incollaggio dei termoplastici risulta solitamente meno efficiente rispetto ai termoindurenti a causa della natura chimica, generalmente poco polare e poco reattiva delle superfici. L’accoppiamento meccanico avviene in modo analogo ai compositi a matrice termoindurente con risultati di efficienza molto simili.

La saldatura per fusione, mediante riscaldamento sopra Tg per le matrici amorfe o Tm per quelle semicristalline, produce giunzioni con resistenza praticamente pari a quella della resina. I lembi da saldare vengono sovrapposti e portati alla temperatura di fusione applicando una pressione di contatto ed, eventualmente, interponendo un film di matrice per regolarizzare le asperità superficiali. Problemi di saldatura possono nascere a seguito di delaminazioni durante l’operazione di giunzione, in mancanza di un’adeguata pressione di contatto.

Con la saldatura dual resin bonding, un film termoplastico con temperatura di fusione inferiore viene interposto nella zona di saldatura. Questo processo viene impiegato soprattutto per la giunzione di superfici estese, come ad esempio la saldatura di strutture di irrigidimento a pannelli.

La saldatura per resistenza prevede l’utilizzo di uno strato di carbonio come resistenza elettrica o di un resistore metallico interposto tra le superfici da saldare. Lo strato di carbonio presenta il vantaggio di non impiegare materiali estranei nella zona di giunzione; d’altra parte la resistenza metallica fornisce una maggiore efficienza riscaldante. Il materiale di

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apporto, costituito da un film della stessa matrice e l’applicazione di pressione di contatto (7-15 bar) durante il ciclo di saldatura, fino a raffreddamento sotto Tg, garantiscono saldature efficienti in tempi ridotti (0,5-5 min).

La saldatura a ultrasuoni è normalmente impiegata per la giunzione di termoplastici non rinforzati e può essere impiegata anche per compositi termoplastici avanzati. Una sonda produce energia vibratoria ad ultrasuoni (20 - 40 kHz) che viene trasmessa per contatto ad un elemento laminato da saldare, mentre l’altro elemento è mantenuto stazionario, eventualmente con un film di matrice di apporto. Il riscaldamento per attrito tra le due superfici determina la fusione nella zona di contatto tra i due elementi da saldare. La presenza di asperità superficiali consente di concentrare l’energia meccanica in punti localizzati favorendo la fusione. Il tempo, la pressione di contatto, l’ampiezza della vibrazione, controllano l’efficienza e la qualità della saldatura che avviene in pochi secondi.

La saldatura ad induzione, simile alla saldatura per resistenza, opera il riscaldamento per effetto di corrente alternata indotta nel materiale da saldare e generata da un circuito di induzione. La presenza di materiale, come maglie in ferro, nichel, rame o carbonio, tra le superfici può aumentare l’efficienza del riscaldamento. La saldatura avviene in tempi dell’ordine di 5-30 min con pressioni di contatto di 3-15 bar. Anche in questo caso può essere impiegato un film di matrice di apporto.

Negli ultimi anni c’è stato un aumento nell’utilizzo di leganti adesivi soprattutto per la formazione di pannelli rinforzati da utilizzare come materiali compositi avanzati. Allo scopo si utilizzano essenzialmente i processi di giunzione denominati co-curing, co-bonding, secondary bonding per unire i substrati compositi tra di loro [27, 28].

Come mostrato in figura 14b), il co-curing è un processo nel quale i due laminati non induriti subiscono il processo di indurimento contemporaneamente.

Il processo co-bonding [Fig. 14a)] avviene quando un solo aderente è già indurito e richiede la presenza di un adesivo per ottenere l’adesione.

Il processo secondary bonding si ha quando lo strato adesivo è indurito tra due laminati che hanno già subito il processo di indurimento come mostrato in figura 14c).

È possibile anche usare il metodo multi-material-bonding [Fig. 14d)], che è simile al secondary bonding ad eccezione che prevede la combinazione di metalli e materiale composito invece di soli substrati compositi già preinduriti.

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Fig. 14 - Schema dei processi di giunzione dei materiali compositi con adesivo [27]

La superficie di contatto ha un ruolo molto importante nel processo legante ed è un elemento che influenza la qualità delle proprietà adesive. Pertanto, la superficie richiede un adeguato pretrattamento prima dell’applicazione dell’adesivo in modo da raggiungere la massima forza meccanica. I tipici trattamenti che vengono applicati alla superficie di un composito sono le tecniche di pulizia mediante abrasione o solvente.

Il co-curing e il co-bonding sono di solito preferiti al secondary bonding perché il numero di cicli di indurimento sono ridotti; inoltre, questi metodi sono i più comunemente usati per la riparazione di strutture composite. Tuttavia, per strutture complesse e di grandi dimensioni, il processo secondary bonding è il più utilizzato [27].

Le giunzioni adesive rappresentano una valida alternativa alle giunzioni meccaniche classiche e rispetto a queste presentano alcuni vantaggi quali un minor peso strutturale, minori costi di fabbricazione e una maggiore resistenza. L’applicazione di questi sistemi di giunzione fatti di compositi rinforzati con fibre è aumentata significativamente negli ultimi anni. I sistemi tradizionali con elementi filettati possono causare la rottura delle fibre e la conseguente concentrazione di tensioni che riducono entrambi l’integrità strutturale.

Viceversa, giunti adesivi sono più continui ed hanno potenziali vantaggi di rapporto forza/peso, flessibilità di progettazione e facilità di fabbricazione. Per questo le giunzioni adesive trovano applicazione in varie aree, dall’industrie di alta tecnologia, come quelle aeronautiche, aerospaziali, elettroniche e dell’automotive, alle industrie più tradizionali come quelle delle costruzioni, dello sport e degli imballaggi [29].

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