Come calcolare la lunghezza richiesta del rotolo in fibra di carbonio per i progetti?

L’effetto delle dimensioni del nucleo, della larghezza del materiale, dello spessore del tessuto e della densità superficiale.

Esistono quattro fattori principali che influenzano la lunghezza disponibile utilizzabile nei rotoli di fibra di carbonio: dimensione del mandrino, larghezza del materiale, spessore del tessuto e densità superficiale. La dimensione del mandrino determina il diametro interno, che stabilisce la lunghezza minima disponibile durante lo svolgimento. La larghezza determina la quantità di spazio disponibile trasversalmente rispetto al punto in cui si estrae il materiale. Lo spessore del tessuto influenza il numero di strati che possono essere avvolti in ciascun avvolgimento. La maggior parte dei tessuti ha uno spessore compreso tra 0,1 e 0,5 mm, mentre la densità superficiale indica la densità di impacchettamento delle fibre, espressa in grammi per metro quadrato. Quando la densità superficiale aumenta, il produttore deve effettuare calcoli estremamente precisi, poiché potrebbero verificarsi problemi legati a un eccesso di peso o a prestazioni scadenti. Ad esempio, consideriamo due rotoli della stessa larghezza ma con densità superficiali diverse: uno potrebbe avere una densità di circa 200 g/m², mentre l’altro soltanto 130 g/m². Di conseguenza, il rotolo più pesante contiene quasi 1,5 volte il materiale per metro lineare. Qualsiasi imprecisione in queste misurazioni può causare ritardi nel progetto.

Secondo i dati di Composites Manufacturing (2023), quasi tre quarti dei progetti relativi ai materiali compositi subiscono ritardi a causa di un errore di calcolo di questi parametri progettuali fondamentali.

Le misure principali, quali diametro, larghezza, spessore e densità, svolgono un ruolo essenziale nel calcolo della lunghezza possibile del materiale avvolgibile.

Queste dimensioni possono modificare la struttura complessiva, portando alla seguente relazione geometrica:

Lunghezza = (Raggio esterno del rotolo² − Raggio interno del mandrino²) × Π × Larghezza del materiale / (1000 × Spessore)

Ad esempio, mandrini più piccoli con diametro di 76 mm forniscono una lunghezza inferiore del 15–22% rispetto allo standard da 150 mm.

In termini di larghezza, una tolleranza di spessore pari a ±2% su un rotolo di larghezza 1.270 mm comporta una differenza di lunghezza pari a 25,4 mm per metro lineare.

Se lo scostamento dello spessore su un rotolo di 300 metri è di 0,05 mm, ciò può comportare una perdita di resa pari all’18%.

Per quanto riguarda i tessuti in fibra di carbonio ad alto modulo con una densità superficiale di 190+ g/m², stimare la lunghezza applicando una compensazione del 5% per la densità.

“Pianificazione dell’imballaggio della fibra di carbonio: l’arte e la scienza” [Inizio pagina]

Nel foglio tecnico del produttore, verificare le dimensioni del nucleo (diametro interno/esterno con supporto) e le fasce di tolleranza per lo spessore relative a un determinato lotto e non ai valori nominali, al fine di conformarsi alla norma ASTM D3776 per la densità superficiale e di garantire che l’avvolgimento del rotolo avvenga con una tensione lineare di 25 N/cm, in modo da evitare allentamenti durante il trasporto del rotolo.

È previsto che i prodotti standard presentino una differenza compresa tra il 7% e il 12% tra la lunghezza indicata e quella effettivamente utilizzabile. È inoltre essenziale selezionare un fornitore che disponga di misurazioni validate da terze parti, poiché ciò ha dimostrato di ridurre l’errore di stima della lunghezza dell’83% rispetto alla deviazione standard basata sulle specifiche di lunghezza (JEC Composites 2024).

È inoltre importante evitare l’uso di imbottiture in carta, poiché ogni strato protettivo riduce la lunghezza dello 0,3% per metro lineare.

Formula esatta e applicazione per la lunghezza del rotolo in fibra di carbonio

Ricavo della lunghezza dall'area della sezione trasversale: diametro esterno (OD), diametro interno (ID) e spessore del materiale

In questo calcolo matematico la larghezza viene effettivamente ignorata nel calcolo del volume, ed è proprio questo parametro a essere eliminato. Ciò che conta è lo spessore del materiale. Ed è per questo che la precisione delle misurazioni dello spessore deve essere estremamente elevata. Una differenza di ±0,01 mm può provocare una variazione del 4% nei calcoli della lunghezza per rotoli di dimensioni standard. Nel caso di produzioni su larga scala, tale variazione è considerevole. La maggior parte degli standard di settore prevede il controllo dello spessore mediante micrometro in tre punti diversi lungo la larghezza del rotolo. Questa procedura è finalizzata a ridurre al minimo gli errori dovuti allo strumento di misura o agli indesiderati effetti di assottigliamento ai bordi, che si verificano durante la lavorazione dei materiali.

Calcolo passo-passo della lunghezza di un rotolo in fibra di carbonio (spessore 0,25 mm). Le dimensioni sono: diametro esterno (OD) 300 mm, diametro interno (ID) 76 mm, larghezza 50 mm.

Ciò presuppone avvolgimenti ideali senza perdita di tensione. Nella pratica, aggiungere un margine del 12−18% per sovrapposizioni, rifilature e scarti di taglio. Nel caso di questo rotolo, ciò corrisponde a una lunghezza di pianificazione consigliata di 310−312 metri. Modifiche specifiche per progetto alla stima della lunghezza dei rotoli in fibra di carbonio

Considerando gli scarti, le sovrapposizioni, la perdita di tensione e l’inefficienza della posa (margine medio del 12−18%)

La stima della lunghezza dei rotoli in fibra di carbonio è influenzata da numerosi fattori e non dipende esclusivamente dalla geometria.

Le variabili misurabili associate al progetto influiscono direttamente sulla quantità di fibra consumata e comprendono quanto segue:

Scarto materiale dovuto al taglio o alla rifilatura

Sovrapposizione utilizzata per soddisfare i requisiti strutturali di giunzione o continuità

Allungamento delle fibre causato dalla tensione indotta durante la manipolazione

Inefficienze nel processo di posa (deposizione) o manuale

Alla fine, possiamo stimare che fino al 12–18 percento delle fibre ricevute in un progetto va potenzialmente sprecato o viene utilizzato, nella pratica, in misura superiore a qualsiasi stima teorica. Il settore è fortemente regolamentato e l’ingegneria aerospaziale ne costituisce un ottimo esempio. Molte aziende considereranno il margine aggiuntivo inserito nella stima come uno spreco di tempo e denaro, con conseguenti arresti costosi e ritardi. Anche l’integrità strutturale dei componenti ne risentirà e sorgeranno problemi di conformità normativa. L’esperienza derivante dall’ultimo ampio studio industriale condotto lo scorso anno ha chiarito che questa situazione non può essere risolta ricorrendo esclusivamente a metodi di produzione snella (lean manufacturing). La compensazione pianificata è un requisito assolutamente indispensabile qualora si desideri rimanere integrati, in modo controllato, nel flusso finanziario e operativo evitando sprechi. I vantaggi delle applicazioni digitali per il calcolo del rotolo di fibra di carbonio

Le soluzioni digitalizzate non sono più una prospettiva futura, ma una realtà che semplifica i calcoli della lunghezza dei rotoli, un tempo complessi, noiosi, dispendiosi in termini di tempo e di manodopera. Queste soluzioni comprendono applicazioni mobili e calcolatori web. Tali applicazioni e calcolatori richiedono il diametro interno del nucleo, la larghezza del nucleo, lo spessore del nucleo e la densità del materiale del nucleo, fornendo all’utente istantaneamente la lunghezza del rotolo. Dove un tempo tali calcoli venivano eseguiti manualmente dall’utente con possibilità di errore, oggi i calcolatori e le applicazioni forniscono soluzioni con un feedback immediato. Inoltre, automatizzano il calcolo di eventuali sovrapposizioni, perdite di tensione o margini di scarto, che tipicamente variano dal 12% al 18%. Nelle soluzioni digitali, le informazioni non vengono semplicemente salvate sul dispositivo dell’utente, ma quest’ultimo può anche modificare il diametro interno ed esterno del nucleo e lo spessore del materiale del nucleo; i dati vengono quindi salvati nel cloud. Ciò semplifica il tracciamento della cronologia, la collaborazione con i membri del team e l’utilizzo delle soluzioni digitali. A dimostrazione dell’efficienza raggiunta grazie alle soluzioni digitali, studi di settore evidenziano che il loro utilizzo, rispetto ai fogli di calcolo, comporta un risparmio di tempo pari al 70% o superiore. Inoltre, l’impiego di soluzioni digitali consente di effettuare ordini di materiali più precisi e di utilizzare in modo più efficiente i materiali ordinati, riducendo gli sprechi.

Affrontiamo alcune domande frequenti (FAQ).

Quali fattori influenzano la durata di utilizzo dei rotoli di fibra?

L'inefficienza nello svolgimento di un rotolo può essere causata dal diametro del mandrino, dalla larghezza del materiale e dallo spessore e dalla densità del tessuto.

Qual è la formula per calcolare la lunghezza di un rotolo di fibra di carbonio?

La lunghezza viene calcolata con la formula \(\mathrm{Lunghezza} = \frac{\pi (OD^{2} - ID^{2})}{4t}\), dove OD = diametro esterno, ID = diametro interno e t = spessore del materiale.

Qual è l’impatto del margine di sicurezza nella stima della lunghezza di un rotolo di fibra di carbonio?

La maggior parte dei componenti costruttivi di un rotolo genera scarti a causa di sovrapposizioni, perdita di tensione, ecc., pertanto va previsto un ulteriore 12–18%.

Qual è il ruolo degli strumenti digitali nella stima della lunghezza dei rotoli di fibra di carbonio?

Maggiore accuratezza e velocità sono i risultati derivanti dal fatto che gran parte degli scarti e degli aggiustamenti dimensionali è già preprogrammata negli strumenti digitali.