Quali sono i passaggi fondamentali per trasformare la fibra di carbonio in prodotti?

Miglioramento delle procedure per la preparazione e il posizionamento strati dei rotoli di fibra di carbonio

Posizionamento strati di precisione: svolgimento, taglio e allineamento del rotolo di fibra di carbonio

Ottenere un processo di svolgimento corretto è fondamentale per il successo dell’intero sistema. I sistemi a tensione controllata aiutano a prevenire deformazioni e danni alle fibre durante il loro avanzamento nella macchina. Per quanto riguarda il taglio, il taglio ultrasonico, rispetto al taglio a forbice, consente di ottenere bordi puliti, privi di sfilacciature e senza danni termici. Le guide laser garantiscono l’allineamento delle singole fibre con una variabilità non superiore a 0,5 gradi. Perché questo è importante? Nell’ultima edizione della rivista «Composites Journal», i ricercatori hanno osservato, sulla base della loro analisi, che un disallineamento di un solo grado comporterebbe una riduzione del 7% della resistenza a trazione. Quando la stratificazione presenta una geometria complessa, come un contorno tridimensionale, robot specializzati applicano l’adesivo in modo tale da mantenere l’allineamento degli strati durante il trasferimento alla successiva superficie di lavoro. Vi sono inoltre diversi altri fattori da gestire, ad esempio il controllo dell’elettricità statica nei sistemi per evitare che le fibre diventino aerodisperse e il controllo dell’umidità relativa al di sotto del quaranta per cento per prevenire l’assorbimento prematuro di umidità dalle resine.

Gli operatori esaminano il motivo intrecciato retroilluminato per verificare la coerenza prima di versare qualsiasi materiale negli stampi.

Stima del processo WET Lay-Up rispetto a Prepreg e RTM: allineamento della tecnica al processo di formatura a rullo in fibra di carbonio e al livello di produzione

Il metodo ottimale di consolidamento varia in base ai criteri di prestazioni, volume e costo.

Richiede la polimerizzazione in autoclave

Nel processo Wet Lay Up, il metodo impiega una resina applicata manualmente sui rotoli di fibra di carbonio asciutti, rendendolo ideale per forme che richiedono costruzioni complesse. Il volume di produzione è tuttavia generalmente basso. Il costo medio degli utensili per tali processi è tipicamente dell’80% inferiore rispetto a quello dei metodi di costo RTM. I prepreg sono più vantaggiosi rispetto ai metodi Wet Lay Up grazie alla maggiore uniformità riscontrata nei pezzi finiti e alle proprietà meccaniche complessivamente superiori dei componenti. Questa uniformità deriva dal fatto che la resina è già impregnata nella fibra durante il processo di fabbricazione dei prepreg. Tale processo di fabbricazione richiede però uno stoccaggio refrigerato speciale e, durante l’intero ciclo produttivo, una manipolazione particolare e relativamente complessa. Tuttavia, anche per l’RTM i produttori devono affrontare la complessità del metodo, poiché i polimeri vengono forzati a fluire sotto pressione attraverso le fibre asciutte (le fibre impregnate di resina) all’interno della geometria chiusa degli stampi; ciò comporta contenuti eccessivi di vuoti d’aria e un’uniformità estremamente bassa delle fibre impregnate di resina tra diversi lotti. Ciò significa che, dopo gli stampi, uno dei fattori limitanti più significativi è l’investimento di oltre mezzo milione di dollari necessario per dotarsi di un set completo di stampi. È proprio questa elevata soglia di investimento a garantire che la maggior parte delle piccole realtà produttive eviti l’utilizzo dell’RTM, preferendo invece tecniche di processo meno complesse.

Selezione dei sistemi di resina e ottimizzazione della polimerizzazione per l'integrazione di rotoli in fibra di carbonio

Perché le resine epossidiche rappresentano lo standard aureo per la lavorazione di rotoli strutturali in fibra di carbonio

Un'adesione senza pari, una stabilità termica eccellente e un controllo del processo accurato rendono le resine epossidiche lo standard aureo per applicazioni strutturali che impiegano rotoli in fibra di carbonio.

Resistenza al taglio interlaminare:

- fondamentale per i laminati portanti, supera i 65 MPa.

- la temperatura di esercizio consente impieghi aerospaziali e nell’automotive ad alte prestazioni, fino a 180 °C (356 °F).

- cicli di polimerizzazione a stadi contribuiscono a ridurre le tensioni residue e la formazione di microfessure.

Attraverso analisi gravimetrica è stato dimostrato che il mantenimento di un rapporto resina-fibra compreso tra il 35% e il 40% in peso permette di tenere il contenuto di vuoti al di sotto del 2%, rispettando gli standard della prova di trazione ASTM D3039. Considerazioni relative a costo, tempo di polimerizzazione e compatibilità per rotoli in fibra di carbonio con alternative a base di poliestere ed estere vinilico

Sebbene l'epossidico offra lo standard più elevato, i concorrenti offrono i margini maggiori sia in termini di costo che di velocità di produzione:

Tipo di resina | Costo rispetto all'epossidico | Temperatura massima di servizio | Compatibilità con rotoli in fibra di carbonio

Poliestere | 60–70% inferiore | ¥80 (176 °F) | Moderata – soggetta a rigonfiamenti osmotici

Vinilestere | 40–50% inferiore | ¥100 (212 °F) | Elevata – eccellente resistenza chimica

La polimerizzazione a temperatura ambiente del vinilestere avviene in 2–4 ore, un tempo significativamente più breve rispetto alle 12–15 ore necessarie per l’epossidico, consentendo una prototipazione rapida e la produzione di pannelli non strutturali. Il compromesso rappresentato da una riduzione della resistenza a compressione del 15–20% è spesso ampiamente compensato dai vantaggi ottenuti. In molti casi, per pavimenti marini o pannelli per carrozzerie automobilistiche, l’evitare tale perdita di resistenza a compressione comporta un risparmio materiale superiore a 25 $/m², mantenendo comunque la funzionalità richiesta.

Progettazione degli stampi e attrezzature per la produzione affidabile di rotoli in fibra di carbonio

Requisiti relativi ai materiali, alla finitura superficiale e alla stabilità termica per la laminazione a rullo di fibre di carbonio

Le prestazioni di uno stampo dipendono dalla sinergia di tre fattori: la resistenza del materiale, la durata della superficie e la stabilità della temperatura; questi tre elementi, presi insieme, determinano le prestazioni di uno stampo prototipale. A tale riguardo, uno stampo prototipale può essere realizzato in acciaio per utensili, grazie al suo rapporto costo-prestazioni. Per cicli di produzione prolungati, è possibile applicare un rivestimento in carburo per fornire supporto strutturale allo stampo e allungarne il ciclo produttivo. Grazie al loro elevato supporto strutturale a temperature elevate e sotto sollecitazioni meccaniche intense, specifiche leghe di nichel, come l’Invar, rappresentano un materiale di prima scelta per la costruzione di stampi destinati a componenti aerospaziali, in virtù del loro basso coefficiente di espansione termica. Questa caratteristica delle leghe Invar riduce al minimo l’espansione termica dello stampo alle temperature impostate, prevenendo così la deformazione dello stampo causata dalle reazioni termiche e chimiche delle resine con l’epossidico.

La finitura superficiale deve essere il più riflettente possibile, idealmente inferiore a 0,4 micron Ra. Ciò garantisce che le fibre non si impiglino durante la lavorazione e che i pezzi si stacchino facilmente dallo stampo senza difetti superficiali o microstrappi. Una corretta ventilazione dei bordi, posizionata in modo strategico, è fondamentale per evitare inclusioni d’aria, specialmente durante la polimerizzazione esotermica della resina. Ciò risulta altresì essenziale per prevenire la formazione di inclusioni fibrose di resina nei rulli in carbonio. Infine, progettare gli stampi in modo da garantirne la stabilità dimensionale compresa tra -0,1 e +0,1 mm a 180 °C è fondamentale. Questa ingegnerizzazione di precisione è indispensabile per tutti i produttori seri di materiali compositi.

Nozioni fondamentali di controllo del processo: controllo qualità nella produzione di rulli in fibra di carbonio

Tecniche di incapsulamento sottovuoto, applicazione di cuscinetti di pressione ed eliminazione delle bolle d’aria per la produzione di laminati per rulli in fibra di carbonio privi di vuoti

Il primo passo consiste nell'instaurare un vuoto. Ogni strato del composito viene posizionato sotto una copertura flessibile, all'interno di un sacco, e viene applicata una pressione negativa di 25–29 pollici di mercurio per rimuovere l'aria dagli strati. L'avvio della fase di pressione positiva, compresa tra 14 e 100 psi (libbre per pollice quadrato), rappresenta essenzialmente una fase di compattazione che modifica il rapporto fibra/resina del composito, riducendo il volume di resina ( {m}_{resin}​ ). L'eliminazione dei difetti, in particolare delle inclusioni d'aria (voids), è il risultato combinato di diversi fattori. Innanzitutto, l'intrappolamento d'aria negli strati bagnati di resina viene perturbato/rotto mediante un rullo di sgrassatura (de-bulking roller). Successivamente, strati speciali di tessuto, denominati "breathers", aspirano la resina indesiderata (solitamente epossidica) dagli strati verso appositi scarichi di raccolta della resina. Infine, per garantire che la quantità di resina residua sia minima, evitando così contaminazioni degli strati o formazione di voids, il sistema è configurato con strati assorbenti (bleeder layers) che catturano la resina prima della fase finale di polimerizzazione.

È fondamentale mantenere il contenuto di vuoti al di sotto del 2%. Un contenuto di vuoti più elevato riduce la resistenza al taglio interlaminare di oltre il 35%. L’uso di sistemi di monitoraggio della pressione e di rilevamento automatico delle perdite migliora l'affidabilità e l'uniformità della consolidazione del laminato di rotoli in fibra di carbonio, particolarmente importante nelle zone spesse o irregolari.

Sezione FAQ

Quali sono i vantaggi dell’utilizzo di rotoli in fibra di carbonio?

Grazie alla loro eccezionale resistenza e stabilità, i rotoli consentono la realizzazione di forme complesse e un allineamento preciso.

Qual è il vantaggio della tecnica di posa umida (wet lay-up)?

La tecnica di posa umida è superiore per i prototipi e le forme complicate, ma risulta meno adatta alla produzione su larga scala rispetto ai processi RTM e prepreg.

Per quale motivo si utilizza l’epossidico nei compositi?

L’epossidico rappresenta la scelta migliore grazie alla sua adesione, stabilità e resistenza al taglio interlaminare in rapporto al peso della struttura, ed è quindi essenziale per la fibra di carbonio.

Qual è la funzione della borsa sottovuoto nella fabbricazione di laminati in fibra di carbonio?

La borsa sottovuoto fornisce una tenuta stagna e una pressione negativa per rimuovere le sacche d'aria e consente di formare i laminati in modo uniforme e senza vuoti.