Tecnologie delle Costruzioni
Aerospaziali
COMPOSITI
PARTE 2
Prof. Claudio Scarponi
Ing. Carlo Andreotti
PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI:
LAMINAZIONE
Per laminazione si intende la deposizione di
strati (lamine) di un materiale su uno
stampo che conferisce la forma geometrica
desiderata.
La deposizione può essere manuale o
automatica.
Il
materiale
deposto
può
essere
preimpregnato oppure si può impregnare
direttamente sullo stampo.
In ambito aerospaziale si impiega solo il
preimpregnato.
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PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI:
LAMINAZIONE
Gli stampi possono essere “maschi” o “femmine”,
oppure si può avere la combinazione dei due.
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PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI:
LAMINAZIONE
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PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI:
LAMINAZIONE
La superficie a contatto con lo stampo ha una perfetta
finitura superficiale.
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PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI:
LAMINAZIONE
Caratteristiche e requisiti per lo stampo:
 Di grande importanza è la scelta del materiale per lo
stampo. Da tale scelta dipende il numero di
particolari da produrre e le dimensioni finali del
pezzo prodotto.
 Particolare attenzione va posta al coefficiente di
dilatazione termica per il problema dei ritiri
differenziali tra attrezzo e stratificato (i coefficienti di
attrezzo e composito sono spesso molto diversi).
 Assenza di porosità.
 Inerzia termica.
 Il costo dello stampo varia molto al variare del
materiale di cui è costituito.
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PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI:
LAMINAZIONE
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
DISPOSIZIONE SULLO STAMPO
Il processo di fabbricazione di un laminato pieno può
essere schematizzato nel modo seguente:
 Estrazione del rotolo di preimpregnato dal frigorifero.
 Attesa del raggiungimento della temperatura ambiente.
 Trasporto nella “clean room”, ambiente che prevede le
seguenti regole:
 Controllo della temperatura e dell’umidità.
 Controllo della pulizia.
 Presenza
di sovrapressione all’interno per impedire
l’ingresso di aria non filtrata.
 Obbligo, per il personale, di indossare speciali tute e
camici da lavoro e di toccare il materiale esclusivamente
con mani guantate.
 Divieto di bere, mangiare e fumare.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
DISPOSIZIONE SULLO STAMPO

Taglio delle tele sulle sagome. Le caratteristiche del taglio
sono riportate di seguito:


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Deve essere effettuato secondo il ciclo di fabbricazione
utilizzando le opportune attrezzature.
Devono essere ridotti al minimo gli scarti.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
DISPOSIZIONE SULLO STAMPO







Si possono tagliare gli strati al momento della stratificazione
(consigliabile per prove e prototipi), oppure tagliarli tutti
secondo le dimensioni tratte dal disegno e posizionarli uno
sull’altro con il separatore originale secondo la sequenza della
successiva stratificazione.
Il taglio può essere effettuato con coltelli taglienti o con forbici.
Non si deve mai tagliare direttamente sugli strati già stratificati
o sull’attrezzo.
Applicazione di un agente distaccante sullo stampo.
Stratificazione manuale delle tele pretagliate sullo stampo
(le tele sono disposte rispettando l’ordine e la giusta
angolazione delle fibre rispetto agli assi di riferimento del
laminato, riprodotti sullo stampo).
Compattazione mediante spatole e rulli in modo da evitare la
formazione di sacche di aria, che resta intrappolata
all’interno degli strati.
Preparazione del sacco a vuoto.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
ESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO
L’esecuzione del sacco a vuoto è una serie di operazioni preparatorie
all’ingresso in autoclave dello stratificato fresco che consistono in:

Applicazione di un agente distaccante per separare lo stratificato
dall’attrezzo.

Applicazione di uno strato pelabile (“peel ply”) nelle superfici da
sottoporre ad ulteriori cicli di lavorazione (verniciatura, incollaggi,
ecc.).

Applicazione di un foglio di Tedlar autoadesivo (“bondable Tedlar”): è
un foglio di polivinilfluoruro, che si incolla allo stratificato durante il
ciclo di polimerizzazione nelle parti interne, per protezione al posto
della verniciatura.

Applicazione di un film separatore Fep (“Fep parting film”) di
materiale plastico, che si usa come separatore tra lo stratificato e il
materiale del sacco.

Applicazione di uno strato di materiale di ventilazione superficiale
(“surface breather”): è un materiale sintetico molto poroso che ha lo
scopo di favorire la circolazione dell’aria aspirata dalla pompa a vuoto
e dei volatili che si sviluppano durante il ciclo di polimerizzazione.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
ESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO





Applicazione di materiale di ventilazione perimetrale (“edge
breather”): consiste in alcuni strati di tessuto di fibra di vetro a trama
larga di almeno 1’’ di larghezza, che ha la stessa funzione del
materiale di ventilazione superficiale.
Applicazione di una contropiastra (“pressure plate”): si tratta di un
sottile lamierino di alluminio (non sempre impiegato), che ha la
funzione di conferire al particolare un’eccellente finitura superficiale.
Applicazione di uno strato di materiale assorbente (“bleeder
material”): è uno strato con funzioni di assorbimento della resina in
eccesso.
Applicazione del sacco, detto “vacuum bag”: è un film di materiale
plastico (essenzialmente nylon), che copre tutti gli altri elementi
citati; ad esso si applicano le prese per la pompa a vuoto e le
termocoppie per il controllo della temperatura del pezzo.
Applicazione di un sigillante per il sacco (“vacuum sealer-tape”): è un
cordone sintetico che ha lo scopo di assicurare una tenuta ermetica
fra il sacco e lo stampo.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
ESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO
Una volta preparato il sacco si collega il pezzo alla pompa a vuoto e si
crea una depressione di 0.73 kg/cm2, rilevata da sonde di misura.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
ESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE
L’autoclave è un contenitore nel quale è possibile ottenere una
pressione positiva (generalmente dell’ordine di 3 atm) e una
sovratemperatura (in genere 350 °F).
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE
Le fasi di un ciclo di polimerizzazione (“curing”) possono essere
riassunte nei seguenti punti:

Introduzione dell’insieme stampo-stratificato-sacco in autoclave e
chiusura della stessa.

Innalzamento della pressione fino a 20 psi.

Eliminazione del vuoto nel sacco mediante collegamento con
l’atmosfera esterna.

Aumento della pressione fino al valore richiesto per il materiale dello
stratificato (circa 50 psi).

Riscaldamento lento e graduale fino alla temperatura di
polimerizzazione.

Mantenimento della temperatura per il tempo necessario alla
polimerizzazione (circa 3 ore).

Raffreddamento lento e graduale fino a 60÷70°C.

Diminuzione della pressione di autoclave fino alla pressione
atmosferica e apertura dell’autoclave.

Estrazione dell’insieme dall’autoclave.

Raffreddamento quasi a temperatura ambiente.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE



Rottura del sacco e rimozione del composito, sotto cappa di
aspirazione per motivi di sanità ambientale:
 Necessità
di mezzi di rimozione idonei per evitare il
danneggiamento del composito.
 Problema del “ritorno” (spring back): il modo di rimozione più
semplice consiste nel porre ad una estremità del pezzo un
blocchetto di plastica o di legno e nel picchiarvi sopra con un
martelletto (poiché questo procedimento causa danni ai laminati
più sottili, questi sono rinforzati, nell’area in eccesso
dell’estremità, con strati aggiuntivi di preimpregnato).
Operazioni di finitura.
Ispezione e collaudo.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO:
CICLO DI CURA IN AUTOCLAVE
Tipico ciclo di cura:
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO
Il flusso di resina, funzione della pressione applicata a
parità di altre condizioni, può avvenire:
 Dai bordi del laminato.
 Dalle facce.
Effetto della temperatura:
 Cinetica della reazione di cura:
 Velocità di reazione.
 Grado di reazione massimo.
 Viscosità.
 Degradazione della resina.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO PIENO
Effetto del grado di cura:
 Incremento del peso molecolare ed evoluzione della
viscosità (fino al gel point).
 Grado di reticolazione ed evoluzione del modulo
(dopo il gel point).
 Sviluppo di calore.
 Resistenza ambientale.
Effetto della viscosità:
 Impregnazione delle fibre.
 Consolidamento del laminato.
 Flusso di resina.
 Pressione ed energia per il flusso di resina.
 Allontanamento di aria e volatili.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”
Il pannello “sandwich” è una struttura costituita da
un “core” (il nido d’ape o “honey-comb”) e da due
piastre incollate mediante un adesivo strutturale.
L’utilità di tale pannello è di conferire alla struttura
un’elevata rigidezza flessionale e torsionale e un’alta
resistenza al taglio.
Espanso
Adesivo
Laminato
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”
Nella normale tecnica recente, il “core” di honeycomb è
sostituito da schiume leggere e porose.
Molte fasi relative alla fabbricazione delle strutture
“sandwich” sono comuni a quanto descritto per i
laminati pieni.
Si parlerà della realizzazione di pannelli che subiscono
un ciclo di polimerizzazione.
Le fasi relative alla fabbricazione di un pannello
“sandwich” sono:
 Taglio del “kit” di tele.
 Taglio dell’adesivo a film.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”

Preparazione del nido d’ape: lo strato di “honey-comb” va lavorato
con mezzi meccanici (fresatura), in modo da ottenere i
caratteristici smussi mostrati in figura.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”






Preparazione dello stampo.
Stratificazione: in questo caso bisogna porre una
particolare cura nel rivestire il nido d’ape con il
preimpregnato.
Sacco a vuoto.
Cura in autoclave.
Rimozione della parte.
Finitura.
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”
Esempi di configurazione delle celle di “honey-comb”:
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”
Esempi di pannelli “sandwich”:
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN “SANDWICH”
Assi principali del nido d’ape:
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FILAMENT WINDING
Il “filament winding” è una tecnologia di avvolgimento di un
filo intorno ad un corpo rotante detto mandrino, la cui
forma determina la geometria del composito da realizzare.
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FILAMENT WINDING
Per ottenere i migliori risultati durante la lavorazione di un
manufatto da realizzare in composito, si devono prendere
alcune precauzioni:
 Agenti di distacco.
 Copertura superficiale.
 Vuoto, pressione e temperatura.
I fattori che concorrono alle caratteristiche geometriche
e strutturali del manufatto, sono diversi, i più importanti
sono elencati di seguito:
 Metodi di avvolgimento.
 Mandrino.
 Tipo di impregnazione.
 Polimerizzazione.
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FILAMENT WINDING
Altro aspetto fondamentale è lo studio della traiettoria di
avvolgimento, punto cruciale per la realizzazione di un
buon manufatto.
I principali tipi di avvolgimento sono:
 Polari, con angoli compresi tra 0° e 20°.
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FILAMENT WINDING

Circonferenziali, con angoli di circa 90°.
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FILAMENT WINDING

Elicoidali, con angoli compresi tra 20° e 85°.
(t)
v(t)
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FILAMENT WINDING
L’angolo di avvolgimento è fissato istantaneamente dal
rapporto tra la velocità di rotazione del mandrino e la
velocità di traslazione del carrello .
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FILAMENT WINDING
Una distinzione tra le tecniche di avvolgimento può essere fatta in
funzione del meccanismo di impregnazione delle fibre.
Vengono utilizzate due metodologie:

avvolgimento bagnato (wet winding).

avvolgimento a secco (dry winding).
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FILAMENT WINDING
Caratteristiche dei mandrini:

Devono resistere agli sforzi di compressione provocati dalle fibre
durante l’avvolgimento e presentare un’elevata rigidezza assiale.

Devono mantenere sufficienti proprietà meccaniche ad alta
temperatura.

Devono essere facilmente rimossi.
Tipologie di mandrini:

Mandrini fissi.

Mandrini removibili.
 Gonfiabili.
 Collassabili.
 In materiale fragile.
 Fondente.
 A superficie cilindrica.
 A superficie conica.
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FILAMENT WINDING
Per garantire una buona qualità del manufatto
è importante effettuare una serie di
controlli sulla resina. In particolare si
deve:
 Controllare la composizione del bagno ed
alimentare continuamente la vaschetta.
 Controllare
la temperatura e l’umidità
relativa del bagno.
 Isolare e trattare a parte la resina di
recupero ottenuta dalla strizzatura e
raschiatura delle fibre di rinforzo.
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FILAMENT WINDING
Di grande importanza è il controllo del tiro del filo, che può essere
realizzato con diversi sistemi:

Si pone un freno sul cilindro ove è inserita la bobina di materiale
da avvolgimento.

Si utilizza un sistema meccanico in cui il filo passa attorno a due
cilindri, fissati su una piattaforma che può ruotare rispetto ad un
asse verticale. Il meccanismo è riportato nella seguente figura:

Si utilizza un sistema idraulico che controlla il freno che agisce sul
supporto delle bobine.
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FILAMENT WINDING:
ESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT WINDING
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FILAMENT WINDING:
ESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT WINDING
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FILAMENT WINDING:
ESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT WINDING
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DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE
DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI
Alcune considerazioni sui “costi” in relazione alla scelta delle
tecnologie:

Il “costo” è un aspetto che riveste un’enorme importanza.

E’ un aspetto comune a tutte le tecnologie.

La bassa consistenza della domanda non consente una
serializzazione, pertanto l’ammortamento diventa uno scoglio
estremamente impervio per la riduzione dei prezzi.

Costo dei materiali:
 La fibra più economica è il vetro E.
 Il costo del vetro S è circa il doppio.
 Il costo del carbonio ad alta resistenza è circa 20 volte.
 Il costo del carbonio ad alto modulo è circa 25 volte.
 Il costo del Kevlar è circa 8 volte.
 La differenza di costo tra le resine è più contenuta (oscilla tra il
30% e il 40%).
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DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE
DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI


Costi non ricorrenti:
 Progetto strutturale.
 Progetto
e fabbricazione delle attrezzature
specifiche.
 Prove di sviluppo tecnologico relative a materiali,
processi, controllo di processo e qualificazione
delle strutture.
 Costituiscono la parte più rilevante dei costi.
Costi ricorrenti:
 Costi di fabbricazione (ore di lavoro).
 Costo dei materiali.
 Energia impiegata.
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DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE
DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI
Vantaggi
della
laminazione
da
preimpregnato:
 Ottima qualità del prodotto.
 Ottima riproducibilità delle caratteristiche.
 Basso peso (ottimizzazione degli spessori).
 Ottima finitura superficiale.
 Basso onere di progettazione.
 Utilizzo di impianti esistenti e di “know-how”
consolidato.
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DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE
DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI
Svantaggi della laminazione da preimpregnato:
 Elevato costo del materiale.
 Elevati costi di fabbricazione (manodopera).
 Elevati tempi di fabbricazione.
 Elevato numero di giunti strutturali.
 Forte presenza di vibrazioni (discontinuità e giunti).
 Elevata manutenzione.
 Scarsa
ricaduta
industriale
(tecnologia
già
sviluppata).
 Elevato costo degli stampi.
 Rigidità della produzione (stampi).
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DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE
DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI
Vantaggi del “filament winding”:
 Basso costo del materiale.
 Struttura monolitica.
 Minimo numero di giunti strutturali.
 Bassi tempi di fabbricazione.
 Ottima ricaduta industriale.
 Facile
diversificazione della produzione
(mandrino e software).
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DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DI SCELTA E INDIVIDUAZIONE
DELLE TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE PIU’ PROMETTENTI
Svantaggi del “filament winding”:
 Scarsa finitura superficiale.
 Peggiore riproduzione della geometria.
 Elevato
peso (spessori costanti nella
sezione).
 Elevato costo dei mandrini.
 Maggiore onere di progettazione.
 Maggior
numero di vuoti e di aria
intrappolata.
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