Le materie prime dei materiali compositi includono resina, fibra e materiale di base, ecc.Ci sono molte scelte e ogni materiale ha la sua forza, rigidità, tenacità e stabilità termica uniche, e anche il suo costo e la sua produzione sono diversi.
Tuttavia, il materiale composito nel suo insieme, la sua prestazione finale non è solo correlata alla matrice e alle fibre di resina (e al materiale di base nella struttura sandwich), ma anche strettamente correlata al metodo di progettazione e al processo di fabbricazione dei materiali nella struttura .
Questo articolo introdurrà i metodi di produzione compositi comunemente usati, i principali fattori che influenzano ogni metodo e come scegliere le materie prime per diversi processi.
Descrizione del metodo:Un processo di stampaggio in cui il materiale rinforzato con fibre tagliate e il sistema di resina vengono spruzzati contemporaneamente nello stampo e quindi polimerizzati sotto pressione normale per formare un prodotto composito termoindurente.
scelta del materiale:
Resina: principalmente poliestere
Fibra: filato grossolano in fibra di vetro
Materiale dell'anima: nessuno, deve essere combinato separatamente con i laminati
Il vantaggio principale:
1) L'artigianato ha una lunga storia
2) Basso costo, posa rapida di fibre e resine
3) Basso costo dello stampo
Principali svantaggi:
1) Il pannello laminato è facile da formare un'area arricchita di resina e il peso è relativamente elevato
2) Possono essere utilizzate solo fibre tagliate, il che limita fortemente le proprietà meccaniche dei laminati
3) Per facilitare la spruzzatura, la viscosità della resina deve essere sufficientemente bassa da perdere le proprietà meccaniche e termiche del materiale composito
4) L'elevato contenuto di stirene nella resina spray comporta maggiori rischi potenziali per gli operatori e la bassa viscosità significa che la resina penetra facilmente negli abiti da lavoro dei dipendenti e viene direttamente a contatto con la pelle
5) La concentrazione di stirene volatilizzato nell'aria difficilmente soddisfa i requisiti di legge
applicazione tipica:
Recinzioni semplici, pannelli strutturali a basso carico come carrozzerie cabriolet, carenature camion, vasche da bagno e piccole imbarcazioni
Descrizione del metodo:Impregnare manualmente le fibre con resina.Le fibre possono essere rinforzate mediante tessitura, intrecciatura, cucitura o incollaggio.La laminazione manuale viene solitamente eseguita con rulli o spazzole, quindi la resina viene schiacciata con un rullo di gomma per penetrare nelle fibre.I laminati sono stati curati sotto pressione normale.
scelta del materiale:
Resina: nessun requisito, resina epossidica, poliestere, polivinil estere, resina fenolica sono accettabili
Fibra: nessun requisito, ma la fibra aramidica con grammatura maggiore è difficile da infiltrare a mano
Materiale d'anima: nessun requisito
Il vantaggio principale:
1) L'artigianato ha una lunga storia
2) Facile da imparare
3) Se si utilizza la resina indurente a temperatura ambiente, il costo dello stampo è basso
4) Ampia selezione di materiali e fornitori
5) Alto contenuto di fibre, le fibre utilizzate sono più lunghe del processo di spruzzatura
Principali svantaggi:
1) La miscelazione della resina, il contenuto di resina e la qualità dei laminati sono strettamente correlati alla competenza degli operatori, è difficile ottenere laminati con basso contenuto di resina e bassa porosità
2) I rischi per la salute e la sicurezza della resina.Minore è il peso molecolare della resina per laminazione a mano, maggiore è la potenziale minaccia per la salute.Minore è la viscosità, più facile è per la resina penetrare negli abiti da lavoro dei dipendenti e venire direttamente a contatto con la pelle
3) Se non è installata una buona attrezzatura di ventilazione, la concentrazione di stirene volatilizzato da poliestere e polivinil estere nell'aria difficilmente soddisfa i requisiti di legge
4) La viscosità della resina per laminazione a mano deve essere molto bassa, quindi il contenuto di stirene o altri solventi deve essere elevato, perdendo così le proprietà meccaniche/termiche del materiale composito
Applicazioni tipiche:pale eoliche standard, barche prodotte in serie, modelli architettonici
Descrizione del metodo:Il processo del sacco a vuoto è un'estensione del suddetto processo di laminazione manuale, ovvero uno strato di pellicola di plastica viene sigillato sullo stampo per aspirare il laminato posato a mano e al laminato viene applicata una pressione atmosferica per ottenere l'effetto dello scarico e della compattazione.Per migliorare la qualità dei materiali compositi.
scelta del materiale:
Resina: principalmente resina epossidica e fenolica, poliestere e polivinil estere non sono adatti perché contengono stirene, che si volatilizza nella pompa del vuoto
Fibra: nessun requisito, anche le fibre con una grammatura elevata possono essere bagnate sotto pressione
Materiale d'anima: nessun requisito
Il vantaggio principale:
1) Può ottenere un contenuto di fibre più elevato rispetto al processo di laminazione manuale standard
2) La porosità è inferiore rispetto al processo di laminazione manuale standard
3) In condizioni di pressione negativa, il pieno flusso della resina migliora il grado di bagnatura delle fibre.Naturalmente parte della resina verrà assorbita dai consumabili sottovuoto
4) Salute e sicurezza: il processo del sacco sottovuoto può ridurre il rilascio di sostanze volatili durante la polimerizzazione
Principali svantaggi:
1) Processi aggiuntivi aumentano il costo della manodopera e dei materiali per sacchetti sottovuoto usa e getta
2) Maggiori requisiti tecnici per gli operatori
3) Il controllo della miscelazione della resina e del contenuto di resina dipende in gran parte dalla competenza dell'operatore
4) Sebbene il sacco sottovuoto riduca il rilascio di sostanze volatili, il rischio per la salute dell'operatore è comunque superiore a quello del processo di infusione o prepreg
Applicazioni tipiche:yacht di grandi dimensioni, in edizione limitata una tantum, parti di auto da corsa, incollaggio di materiali d'anima nella costruzione navale
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4. Stampaggio dell'avvolgimento
Descrizione del metodo:Il processo di avvolgimento è fondamentalmente utilizzato per produrre parti strutturali cave, tonde o ovali come tubi e serbatoi.Dopo che il fascio di fibre è impregnato di resina, viene avvolto sul mandrino in varie direzioni e il processo è controllato dall'avvolgitrice e dalla velocità del mandrino.
scelta del materiale:
Resina: nessun requisito, come resina epossidica, poliestere, polivinil estere e resina fenolica, ecc.
Fibra: nessun requisito, utilizzare direttamente il fascio di fibre della rastrelliera, non è necessario tessere o cucire in tessuto di fibra
Materiale di base: nessun requisito, ma la pelle è solitamente un materiale composito a strato singolo
Il vantaggio principale:
1) La velocità di produzione è elevata ed è un metodo di stratificazione economico e ragionevole
2) Il contenuto di resina può essere controllato misurando la quantità di resina trasportata dal fascio di fibre che passa attraverso il serbatoio resina
3) Ridurre al minimo il costo della fibra, nessun processo di tessitura intermedio
4) La prestazione strutturale è eccellente, perché i fasci di fibre lineari possono essere posati in varie direzioni portanti
I principali svantaggi:
1) Questo processo è limitato a strutture cave circolari
2) Le fibre non sono facilmente disposte con precisione lungo la direzione assiale del componente
3) Il costo dello stampo maschio del mandrino per parti strutturali di grandi dimensioni è relativamente elevato
4) La superficie esterna della struttura non è la superficie dello stampo, quindi l'estetica è scadente
5) Quando si utilizza resina a bassa viscosità, è necessario prestare attenzione alle prestazioni chimiche e alle prestazioni di salute e sicurezza
Applicazioni tipiche:serbatoi di stoccaggio e tubi di mandata di prodotti chimici, bombole, serbatoi di respirazione per vigili del fuoco
Descrizione del metodo:Il fascio di fibre prelevato dalla rastrelliera viene immerso e fatto passare attraverso la piastra riscaldante, la resina viene infiltrata nella fibra sulla piastra riscaldante e il contenuto di resina viene controllato e infine il materiale viene indurito nella forma richiesta;questo prodotto indurito a forma fissa viene tagliato meccanicamente a varie lunghezze.Le fibre possono anche entrare nella piastra riscaldante in direzioni diverse da 0 gradi.
La pultrusione è un processo di produzione continuo e la sezione trasversale del prodotto ha solitamente una forma fissa, che consente lievi modifiche.Fissare il materiale pre-bagnato passando attraverso la piastra riscaldante e stenderlo nello stampo per l'indurimento immediato.Sebbene questo processo abbia una scarsa continuità, può modificare la forma della sezione trasversale.
scelta del materiale:
Resina: solitamente resina epossidica, poliestere, polivinil estere e resina fenolica, ecc.
Fibra: nessun requisito
Materiale d'anima: non comunemente usato
Il vantaggio principale:
1) La velocità di produzione è elevata ed è un modo economico e ragionevole per pre-bagnare e polimerizzare i materiali
2) Controllo preciso del contenuto di resina
3) Ridurre al minimo il costo della fibra, nessun processo di tessitura intermedio
4) Eccellenti prestazioni strutturali, perché i fasci di fibre sono disposti in linea retta e la frazione di volume delle fibre è elevata
5) L'area di infiltrazione della fibra può essere completamente sigillata per ridurre il rilascio di sostanze volatili
Principali svantaggi:
1) Questo processo limita la forma della sezione trasversale
2) Il costo della piastra riscaldante è relativamente elevato
Applicazioni tipiche:Travi e capriate per strutture di case, ponti, scale e recinzioni
6. Stampaggio a trasferimento di resina (RTM)
Descrizione del metodo:Adagiare le fibre asciutte nello stampo inferiore, esercitare una pressione preventiva per far sì che le fibre si adattino il più possibile alla forma dello stampo e incollarle;quindi, fissare lo stampo superiore sullo stampo inferiore per formare una cavità, quindi iniettare la resina nella cavità dello stampo.
Di solito vengono utilizzate l'iniezione di resina sotto vuoto e l'infiltrazione di fibre, vale a dire il processo di infusione di resina sotto vuoto (VARI).Una volta completata l'infiltrazione delle fibre, la valvola di introduzione della resina viene chiusa e il composito viene polimerizzato.L'iniezione e l'indurimento della resina possono essere eseguiti a temperatura ambiente o in condizioni di riscaldamento.
scelta del materiale:
Resina: solitamente resina epossidica, poliestere, polivinil estere e fenolica, la resina bismaleimmide può essere utilizzata ad alta temperatura
Fibra: nessun requisito.Le fibre cucite sono più adatte a questo processo perché gli spazi tra i fasci di fibre facilitano il trasferimento della resina;ci sono fibre appositamente sviluppate per facilitare il flusso di resina
Materiale del nucleo: la schiuma a nido d'ape non è adatta, poiché le celle a nido d'ape saranno riempite di resina e la pressione causerà il collasso della schiuma
Il vantaggio principale:
1) Frazione ad alto volume di fibre e bassa porosità
2) Poiché la resina è completamente sigillata, è sana e sicura e l'ambiente operativo è pulito e ordinato
3) Ridurre il consumo di manodopera
4) I lati superiore e inferiore della parte strutturale sono superfici di stampo, che è facile per il successivo trattamento superficiale
I principali svantaggi:
1) Lo stampo utilizzato insieme è costoso e, per sopportare pressioni maggiori, è pesante e relativamente ingombrante
2) Limitato alla fabbricazione di minuteria
3) È probabile che compaiano zone non bagnate, con conseguenti grandi quantità di scarti
Applicazioni tipiche:navetta spaziale piccola e complessa e ricambi auto, sedili del treno
7. Altri processi di perfusione – SCRIMP, RIFT, VARTM, ecc.
Descrizione del metodo:Stendere le fibre asciutte in modo analogo al procedimento RTM, quindi stendere il telo distaccante e la rete di drenaggio.Dopo che il layup è completato, viene completamente sigillato con un sacchetto sottovuoto e quando il vuoto raggiunge un certo requisito, la resina viene introdotta nell'intera struttura del layup.La distribuzione della resina nel laminato si ottiene guidando il flusso di resina attraverso la rete guida, e infine le fibre secche vengono completamente infiltrate dall'alto verso il basso.
scelta del materiale:
Resina: generalmente resina epossidica, poliestere, polivinil estere
Fibra: Qualsiasi fibra comune.Le fibre cucite sono più adatte per questo processo poiché gli spazi tra i fasci di fibre accelerano il trasferimento della resina
Materiale del nucleo: schiuma a nido d'ape non applicabile
Il vantaggio principale:
1) Uguale al processo RTM, ma solo un lato è la superficie dello stampo
2) Un lato dello stampo è un sacco sottovuoto, che consente di risparmiare notevolmente sul costo dello stampo e riduce il requisito per lo stampo di resistere alla pressione
3) Le parti strutturali di grandi dimensioni possono anche avere un'elevata frazione di volume di fibre e bassa porosità
4) Lo stampo standard per il processo di laminazione manuale può essere utilizzato per questo processo dopo la modifica
5) La struttura a sandwich può essere stampata in una sola volta
Principali svantaggi:
1) Per strutture di grandi dimensioni, il processo è relativamente complicato e le riparazioni non possono essere evitate
2) La viscosità della resina deve essere molto bassa, il che riduce anche le proprietà meccaniche
3) È probabile che compaiano zone non bagnate, con conseguenti grandi quantità di scarti
Applicazioni tipiche:Prove di produzione di piccole imbarcazioni, carrozzerie per treni e camion, pale eoliche
8. Prepreg – processo in autoclave
Descrizione del metodo:La fibra o il tessuto in fibra viene preimpregnato dal produttore del materiale con una resina contenente un catalizzatore e il metodo di produzione è un metodo ad alta temperatura e alta pressione o un metodo di dissoluzione del solvente.Il catalizzatore è latente a temperatura ambiente, conferendo al materiale una durata di conservazione di settimane o mesi a temperatura ambiente;la refrigerazione può prolungarne la durata.
Il prepreg può essere steso a mano o a macchina sulla superficie dello stampo, poi coperto in un sacchetto sottovuoto e riscaldato a 120-180°C.Dopo il riscaldamento, la resina può fluire di nuovo e infine polimerizzare.È possibile utilizzare un'autoclave per applicare una pressione aggiuntiva al materiale, in genere fino a 5 atmosfere.
scelta del materiale:
Resina: di solito si possono usare anche resina epossidica, poliestere, resina fenolica, resina resistente alle alte temperature come poliimmide, estere di cianato e bismaleimmide
Fibra: nessun requisito.È possibile utilizzare fasci di fibre o tessuti di fibre
Materiale dell'anima: nessun requisito, ma la schiuma deve essere resistente alle alte temperature e alle alte pressioni
Il vantaggio principale:
1) Il rapporto tra resina e agente indurente e il contenuto di resina sono impostati accuratamente dal fornitore, è molto facile ottenere laminati con alto contenuto di fibre e bassa porosità
2) Il materiale ha eccellenti caratteristiche di salute e sicurezza e l'ambiente di lavoro è pulito, con un potenziale risparmio di automazione e costi di manodopera
3) Il costo delle fibre di materiale unidirezionale è ridotto al minimo e non è necessario alcun processo intermedio per tessere le fibre nel tessuto
4) Il processo di produzione richiede resina con elevata viscosità e buona bagnabilità, nonché proprietà meccaniche e termiche ottimizzate
5) L'allungamento dei tempi di lavorazione a temperatura ambiente consente di ottenere facilmente anche l'ottimizzazione strutturale e la stratificazione di forme complesse
6) Potenziali risparmi in automazione e costi di manodopera
Principali svantaggi:
1) Il costo dei materiali aumenta, ma è inevitabile per soddisfare i requisiti dell'applicazione
2) Per completare l'indurimento è necessaria un'autoclave, che ha costi elevati, tempi di funzionamento lunghi e limiti di dimensioni
3) Lo stampo deve resistere a temperature di processo elevate e il materiale del nucleo ha gli stessi requisiti
4) Per le parti più spesse, è necessario il pre-vuoto durante la posa dei prepreg per eliminare le bolle d'aria tra gli strati
Applicazioni tipiche:parti strutturali dello space shuttle (come ali e code), auto da corsa di F1
9. Prepreg – processo non in autoclave
Descrizione del metodo:Il processo di produzione del prepreg a bassa temperatura è esattamente lo stesso del prepreg in autoclave, la differenza è che le proprietà chimiche della resina ne consentono la polimerizzazione a 60-120°C.
Per l'indurimento a bassa temperatura di 60°C, il tempo di lavorabilità del materiale è di una sola settimana;per catalizzatori ad alta temperatura (>80°C), il tempo di lavorazione può raggiungere diversi mesi.La fluidità del sistema di resina consente la polimerizzazione utilizzando solo sacchi sottovuoto, evitando l'uso di autoclavi.
scelta del materiale:
Resina: di solito solo resina epossidica
Fibra: nessun requisito, come il prepreg tradizionale
Materiale dell'anima: nessun requisito, ma è necessario prestare particolare attenzione quando si utilizza schiuma PVC standard
Il vantaggio principale:
1) Ha tutti i vantaggi del tradizionale prepreg in autoclave ((i.))-((vi.))
2) Il materiale dello stampo è economico, come il legno, perché la temperatura di polimerizzazione è bassa
3) Il processo di fabbricazione di grandi parti strutturali è semplificato, è sufficiente pressurizzare il sacco a vuoto, far circolare l'aria calda del forno o il sistema di riscaldamento ad aria calda dello stampo stesso per soddisfare i requisiti di polimerizzazione
4) È possibile utilizzare anche materiali espansi comuni e il processo è più maturo
5) Rispetto all'autoclave, il consumo di energia è inferiore
6) La tecnologia avanzata garantisce una buona precisione dimensionale e ripetibilità
Principali svantaggi:
1) Il costo del materiale è ancora superiore alla fibra secca, sebbene il costo della resina sia inferiore al prepreg aerospaziale
2) Lo stampo deve sopportare una temperatura maggiore rispetto al processo di infusione (80-140°C)
Applicazioni tipiche:pale eoliche ad alte prestazioni, grandi barche e yacht da regata, aerei di soccorso, componenti di treni
10. Processo non in autoclave di semi-preg SPRINT/beam prepreg SparPreg
Descrizione del metodo:È difficile scaricare le bolle d'aria tra strati o strati sovrapposti durante il processo di polimerizzazione quando si utilizza il prepreg in strutture più spesse (>3 mm).Per superare questa difficoltà, nel processo di stratificazione è stata introdotta la pre-vuozione, ma il tempo di processo è notevolmente aumentato.
Negli ultimi anni, Gurit ha introdotto una serie di prodotti prepreg migliorati con tecnologia brevettata, consentendo di completare la produzione di laminati più spessi di alta qualità (bassa porosità) in un unico processo.Il semi-preg SPRINT è composto da due strati di fibra secca che racchiudono uno strato di struttura sandwich in film di resina.Dopo che il materiale è stato posizionato nello stampo, la pompa del vuoto può drenare completamente l'aria al suo interno prima che la resina si riscaldi, si ammorbidisca e assorba la fibra.solidificato.
Il prepreg su travi SparPreg è un preimpregnato migliorato che, una volta indurito sotto vuoto, può rimuovere facilmente le bolle d'aria dal materiale a due strati incollato.
scelta del materiale:
Resina: principalmente resina epossidica, sono disponibili anche altre resine
Fibra: nessun requisito
Materiale del nucleo: la maggior parte, ma occorre prestare particolare attenzione alle alte temperature quando si utilizza la schiuma in PVC standard
Il vantaggio principale:
1) Per le parti più spesse (100 mm), è ancora possibile ottenere con precisione un'elevata frazione di volume di fibre e una bassa porosità
2) Lo stato iniziale del sistema di resina è solido e le prestazioni sono eccellenti dopo l'indurimento ad alta temperatura
3) Consentire l'uso di tessuti in fibra ad alto peso a basso costo (come 1600 g/m2), aumentare la velocità di laminazione e risparmiare sui costi di produzione
4) Il processo è molto avanzato, l'operazione è semplice e il contenuto di resina è controllato con precisione
Principali svantaggi:
1) Il costo del materiale è ancora superiore alla fibra secca, sebbene il costo della resina sia inferiore al prepreg aerospaziale
2) Lo stampo deve sopportare una temperatura maggiore rispetto al processo di infusione (80-140°C)
Applicazioni tipiche:pale eoliche ad alte prestazioni, grandi barche e yacht da regata, aerei di soccorso
Tempo di pubblicazione: 13 dicembre 2022
