Tensionatori

Poiché molti rinforzi sono confezionati in rotoli, la tensione può essere applicata al rotolo. Freni magnetici o a frizione, dispositivi di riavvolgimento e barre rotanti a forbice sono i dispositivi usati. Gli ultimi due dispositivi basati sul riavvolgimento permettono che possa essere ripreso il materiale passato dalle cupole, così viene reso possibile l’avvolgimento di modelli a basso angolo attorno alle estremità delle cupole.

I tensionatori spesso sono montati su creels che sono lontani sia dall’avvolgitore sia dalle parti del carrello che effettivamente si spostano col sistema di distribuzione. I dispositivi di tensionamento dovrebbero possibilmente presentare molte delle seguenti caratteristiche: livelli di tensionamento variabili ma controllati, tensioni facilmente aggiustabili, capacità di riavvolgimento per prevenire l’allentamento della fibra, e uniforme tensionamento indipendente dalla grandezza del rotolo.

2.6.9

Forni

La produzione della parte in composito del complesso da assemblare, viene completata dalle op- erazioni di curing, sebbene alcuni sistemi di resina vengano trattati a temperatura ambiente e non richiedano un forno. Sono disponibili diverse tipologie di attrezzatura per curing con forno.

Le più comunemente usate sono forni (a gas, a microonde, o elettrici) o autoclavi.

La maggior parte dei sistemi di resine epossidiche vengono trattate in forni a gas riscaldati sia con aria sia con gas inerte, senza pressione supplementare. L’uso di vacuum bags e di tessuti di drenaggio è stato implementato da alcuni costruttori e il sistema viene descritto in grado di produrre laminati privi di vuoti e con provata compattezza. Le autoclavi vengono comunemente usate con le resine più esotiche come le bismaleimidiche e le polimidiche. Le bismaleimidiche richiedono una speciale considerazione per l’alto grado di compattamento richiesto per favorire il flusso della resina mentre le polimidiche necessitano della rimozione di un alto volume di materiali volatili prodotti durante il curing. Generalmente le autoclavi non vengono usate per i recipienti a pressione come tubi e serbatoi. Se un autoclave deve essere usata per recipienti a pressione, attenzione deve essere posta a non fare trasudare troppa resina. Una trasudazione eccessiva causa il rilasciamento dei filamenti e può anche causare raggrinzamenti, che disturbano l’efficienza della distribuzione del carico dei filamenti. Le autoclavi rappresentano lo stato dell’arte per i componenti non avvolti come i rivestimenti ed i pannelli per applicazioni aeronautiche per le quali l’interfaccia di pressione tra le fibre continue ed il mandrino termicamente dilatabile non può altrimenti svilupparsi durante il curing.

I forni a microonde per curing richiedono un alto investimento iniziale ma consentono risparmi a lungo termine in quanto riducono drammaticamente i costi per energia e significativamente i tempi di curing. Comunque, speciali dispositivi aggiuntivi di riscaldamento come riscaldatori ad induzione, spesso sono richiesti alle interfacce composito/metallo, e il curing con forno a microonde lavora meglio con fibre non conduttrici.

2.6.10

Osservazioni

Tecnologia

La tecnologia filament winding evolverà verso attrezzature sempre più specializzate dato che la do- manda per un maggior numero di prodotti filament wound aumenta. Ora, attrezzature dedicate si stanno utilizzando per mazze da golf, condotti per acqua o olio, fusibili elettrici e interruttori elettri- ci, serbatoi per gas commerciali a pressione, anelli di catene, accoppiamenti per trasmissioni, alberi motore e rotori, piccoli distanziatori e lamine di balestre per auto.

La tecnologia verrà sviluppata per mantenere gli alti valori di resistenza strutturale delle fibre vergini, come carbonio/grafite. Per esempio, aumenterà l’uso di sbobinatori per eliminare la tensione alle celle distributrici, e la tensione verrà applicata solo dopo la impregnazione delle fibre e sarà controllata dopo la formazione della banda. Verranno sviluppate nuove resine contenenti sensori e controlli.

Lo sviluppo di apparati e processi continuerà per permettere il rinnovamento delle fibre nelle strutture ad avvolgimento (con ciò permettendo il cambiamento di ampiezza di banda e di spessore).

Cambiando lo spessore della parete e la disposizione fianco a fianco delle fibre si può ottenere un aumento del numero dei prodotti che possono essere trattati in modo economicamente conveniente con filament winding, e si renderà possibile l’uso di minore materiale in strutture esistenti come componenti di ponti.

Prepregs in tows ed in bande diventeranno commercialmente disponibili in spessori piccoli da 0.08 a 0.10 mm. Comunque l’uso di fibre così sottili non è possibile nel wet winding. I plies molto sottili aumentano la quantità di plies e la resistenza di molte strutture. In molte strutture di velivoli spaziali sono state utilizzati plies molto sottili per costituire strutture quasi isotropiche.

Sensori e dispositivi per controllare il contenuto nella resina delle fibre impregnate a umido di- venterà più comune. L’uso di queste apparecchiature ridurrà lo spreco di resina e l’inquinamento ora prevalente. L’uso di materiale ottenuto per avvolgimento come composto per stampaggio e come ag- giunta a una componente principale, sta iniziando ad essere utilizzato per angoli di containers e corpi rotori.

2.6.11

Applicazioni

Ci si può aspettare che il filament winding verrà sempre più utilizzato per la costruzione di componenti nei seguenti settori:

• Trasporti: Travi di pavimentazione di treni, telai di porte, serbatoi a pressione, vani di corsa delle ruote dei bus, (per evitare lesioni ai passeggeri da scoppio dei pneumatici), auto cisterne stradali per vari liquidi (in Europa e in sud America ma non negli Stati Uniti), ponti a travate, colonne di edifici.

• Molle: Oltre alle molle piatte per auto e vagoni, una molla spiral- wound viene utilizzata per una porta di velivolo. Dischi circolari concavi avvolti vengono usati in serie come strutture atte ad assorbire urti durante l’atterraggio di alianti.

• Alberi motori per automobili: Quando si scoprì che un albero motore per una applicazione auto- mobilistica (il GMT−400 camioncino a sponde basse) poteva essere competitivo relativamente al costo col suo omologo metallico, vennero fatti molti sforzi per trovare più applicazioni sui veicoli. Ora molti diversi veicoli, dai camion per i rifiuti alle auto da corsa usano alberi motori filament wound (Figura 2.21).

In futuro, queste applicazioni passeranno più frequentemente al filament winding, piuttosto che agli altri processi in competizione, a causa della convenienza del processo e poiché esiste una più affidabile tecnologia congiunta per alberi motori in filament wound che per alberi ottenuti per pultrusione.

• NGV Serbatoi: Il trend è stato quello di attrezzare più autobus con serbatoi filament wound per conformarsi con le restrizioni di tipo ambientale. L’impiego in campo automobilistico crescerà

notevolmente a seguito della recente qualificazione del tipo a due cilindri (con fibre carbo- nio/grafite avvolte a cerchio con resina epossidica su cilindri in lega di alluminio 6061 ad alta pressione) per uso nei taxi e nei minivan. Questo è solo l’inizio di un uso su larga scala nelle applicazioni automobilistiche.

• Volani per automobili: Finora il quadro dei costi per l’impiego di volani in applicazioni auto- mobilistiche non è positivo. Molto più probabile è l’uso di grandi volani in compositi come immagazzinamento di energia in impianti per periodi non di punta. Questa idea è un grande affare meno costoso di quanto non sia costruire nuovi impianti di potenza e la sua attuazione non creerebbe i problemi ambientali legati alla realizzazione di nuovi impianti.

Figura 2.21: Alberi motori filament wound

2.7

Pultrusione

[1]

2.7.1

Introduzione

La pultrusione è un processo dall’alta redditività per la realizzazione di profili continui a sezione trasversale costante in materiale composito. Nata negli anni ’50 la pultrusione ha guadagnato mer- cato e posizione di prominenza tecnica negli anni ’80, ed è oggi ritenuta uno dei metodi produttivi di materiali compositi più versatili. Pultrusione è la denominazione sia del processo, sia del prodotto finito. Il processo consiste nell’estrudere una raccolta di rinforzi impregnati con resina reattiva at- traverso una matrice calda che impartirà la geometria finale del profilo di composito. Ovviamente il fatto di ottenere un rinforzo continuo di fibre è un punto di forza del processo e garantirà buone caratteristiche meccaniche. La matrice in resina usata è tipicamente una resina termoindurente, che reagisce esotermicamente quando è introdotto calore subendo una polimerizzazione che garantisce eccezionali proprietà meccaniche. Il composito termoindurente ottenuto non può essere ristrutturato

o in qualche modo alterato all’interno del suo range operativo di temperatura. Al contrario invece nell’estrusione di alluminio e materiali termoplastici che generalmente coinvolgono materiali non rinforzati (omogenei) che sono riscaldati e spinti attraverso una matrice, questi materiali permettono di essere poi raffreddati e modellati nella forma finale del pezzo (es. processo di laminazione). Il materiale può essere riscaldato e riformato numerose volte con piccole perdite delle sue proprietà di base.

Negli anni ’90 un gran numero di componenti meccanici venne realizzato in materiale composito pultruso e aumentò la competitività economica del processo anche grazie ad adeguati sviluppi nel de- sign for manufacturing. La facile realizzabilità che negli ultimi anni ha avuto questo processo ha fatto si che i materiali compositi pultrusi diventassero nel ventunesimo secolo un materiale tradizionale quali l’acciaio o l’alluminio.

2.7.2

Caratteristiche tecniche

Degli elementi base che costituiscono il processo della pultrusione, i tre che precedono il macchinario di pultrusione sono il sistema di manipolazione del rinforzo (in riferimento a roving e rettangoli di mat), la stazione di impregnazione della resina e l’area di formatura (o preformatura) del materiale. La macchina di pultrusione consiste in un attrezzatura che riscalda il materiale in ingresso, cura la resina reattiva, tira il prodotto attraverso la matrice e taglia il profilo finito alla lunghezza desiderata.

Il processo inizia quando il rinforzo è prelevato da una serie di bobine. Le fibre passano attraverso un bagno di resina dove vengono impregnate. Le fibre impregnate a questo punto sono raccolte a formare la geometria del profilo con un certo eccesso di resina che viene eliminato a questo punto. Il materiale consolidato arriva poi in una matrice calda in acciaio che ne definisce con precisione la forma definitiva. La matrice calda da inizio ad una reazione esotermica nella matrice di resina termoindurente. Il profilo è continuamente tirato e fuoriesce di sezione costante caldo e con un trat- tamento di cura completamente eseguito con un tasso produttivo determinato dalla reattività della resina. Una volta uscito dalla matrice il profilo viene raffreddato in un ambiente ad aria forzata o assistito da spray d’acqua, continuamente tirato da un meccanismo che simultaneamente tira e am- morsa. Il prodotto esce dal macchinario di formatura e viene tagliato automaticamente alla lunghezza desiderata. Poi manualmente o automaticamente la parte viene rimossa dalla linea, ispezionata e sot- toposta alle operazioni successive. Un processo di pultrusione necessita di pochissime addizionali operazioni di finitura in quanto la qualità superficiale è già elevata.

Macchinari di pultrusione possono operare con tassi produttivi che vanno dai 25 mm/min a 5m/min. Oggi tipiche linee produttive vanno dai 0.6 ai 1.5 m/min. E’possibile raggiungere alte produttività con l’utilizzo di flussi multipli con una sola macchina. Quasi il 100% dei materiali pultrusi sono utiliz- zabili direttamente senza ulteriori lavorazioni. La pultrusione di grandi volumi produttivi può essere eseguita con una percentuale di materiali di scarto inferiori al 2%.

Due generali categorie di prodotti pultrusi sono: verghe solide e barre commerciali prodotte con rinforzi monoassiali (orientazione di 0° rispetto alla direzione di pultrusione), che garantiscono le

più alte resistenze a trazione e rigidezza, e profili strutturali che utilizzano una combinazione di fi- bre monoassiali e multidirezionali di mat o tessuti per realizzare una combinazione di proprietà che raccolga le richieste delle applicazioni di carichi nelle direzioni trasversali (90°), longitudinali (0°), e fuori asse (da 0° a 90°).

Più del 75% dei prodotti pultrusi sono realizzati in rinforzo di fibra di vetro in matrice di resina poliestere. Quando le applicazioni richiedono una resistenza continua alla temperatura e le più alte proprietà meccaniche viene utilizzata come matrice resina epossidica e come rinforzo fibra di carbonio o aramide.