stampaggio fibra di carbonio
La fibra di carbonio viene lavorata ad altissima temperatura e pressione. La polimerizzazione, realizzata di solito grazie ad una autoclave, fornisce ai compositi con fibra di carbonio una maggiore consistenza e resistenza. La fibra di carbonio impiegata nei cosiddetti materiali compositi dove le fibre vengono intrecciate in panni di tessuto ed immersi nella matrice, che generalmente è di resina e ha la funzione di tenere “composte” le fibre resistenti e allo stesso tempo proteggerle per mantenere invariata la forma del materiale composito. Numerose sono le peculiarità della fibra di carbonio tra le quali l’alta resistenza meccanica, l’ottimo isolamento termico, la resistenza alle variazioni di temperatura e all’effetto degli agenti chimici.
La fibra di carbonio un materiale dal peso specifico molto ridotto che per questa peculiarità risulta essere davvero molto utilizzato e versatile per questo tipo di realizzazioni.
Gli stampi per compositi sono oggi la migliore soluzione per sostituire i materiali metallici, grazie alle loro caratteristiche. Nei progetti motorsport, automobilistici e industriali, la flessibilità, la stabilità dimensionale e la resistenza alle alte temperature sono infatti di grande importanza. Queste proprietà permettono di realizzare: telai, carrozzerie, applicazioni aerodinamiche e condotti d'aria dei veicoli. Solitamente, per gli stampi, vengono scelte fibre di vetro e di carbonio (su cui viene applicata una resina epossidica) .
Quali sono i vantaggi degli stampi in materiale composito?
Elevate caratteristiche meccaniche, Stabilità dimensionale, Resistenza ad alta temperatura, Possibilità di produrre più utensili con lo stesso stampo, Facilità di riparazione, Costo inferiore, Flessibilità, Possibilità di creare forme complesse.
Inoltre, un ulteriore vantaggio è la possibilità di produrre lo stampo in modo indipendente. In questo modo è possibile ottenere un notevole risparmio in termini di costi e tempi di produzione.
L’utilizzo di tecniche di processo nuove, come anche la diffusione di materiali più flessibili rendono i prodotti in fibra di carbonio sempre più competitivi. In questa evoluzione continua un ruolo essenziale è rivestito dagli stampi. Per rendere evidente la loro importanza per il raggiungimento degli obbiettivi di competitività sul mercato.
La fibra di carbonio rappresenta il materiale del presente come anche una delle sfide tecnologiche più interessanti per il futuro. Le fibre di carbonio hanno la forma di sottili fogli di grafite, lunghi e stretti, come nastri. Questi nastri di grafite si raccolgono in fasci, a formare le fibre, dalle quali deriva il nome di fibre di carbonio. Queste fibre, benché durissime, sono troppo fragili per essere utilizzate da sole, mentre risultano perfette per rinforzare materiali polimerici, come le resine epossidiche o altri materiali termoindurenti. Le fibre agiscono come “rinforzo” su una “matrice” di materiale di base. Questi materiali rinforzati prendono il nome di “compositi” proprio per evidenziare la presenza di più di un componente. Tra le tante combinazioni di matrice e rinforzo, i compositi rinforzati con fibra di carbonio sono particolarmente apprezzati per la loro elevata resistenza “specifica” (ossia in rapporto al proprio peso). Sono spesso più “forti” dell’acciaio, ma anche molto più leggeri. Per questo motivo si sono affermati come valida soluzione per sostituire i metalli negli utilizzi più impegnativi: dalle autovetture di Formula 1 e fuoriserie più prestigiose (Ferrari, Lamborghini, BMW, Maserati), motociclette da competizione del MotoGP.
La fibra di carbonio sta rapidamente invadendo ogni settore, fino agli oggetti più comuni, quali racchette da tennis, bici e mazze da golf, grazie al progressivo miglioramento nei processi realizzativi. L’utilizzo di tecniche di processo nuove, come anche la diffusione di materiali più flessibili, anche in forma di semilavorati, consentono di superare progressivamente le varie barriere tecnologiche, riducendo il costo e rendendo i prodotti in fibra di carbonio sempre più competitivi. In questa evoluzione continua un ruolo essenziale è rivestito dagli stampi, elementi essenziali in vari fasi del processo produttivo. Per rendere evidente la loro importanza per il raggiungimento degli obbiettivi di competitività sul mercato.
PROCESSI:
-Dal prototipo allo stampo in vetroresina
Operatori specializzati “stendono” la “vetroresina” sulla sua superficie e la lasciano indurire in ambiente per creare uno stampo.
La vetroresina è, di solito, “laminata” a mano.
La scelta di passare attraverso la realizzazione di un stampo in vetroresina (invece che di altri materiali) consente di costruire un negativo del modello in modo rapido ed economico. Inoltre, evita al modello in prototipazione di passare in autoclave, come avverrebbe nel caso volessimo usarlo per costruire uno stampo in fibra di carbonio, ma dove verrebbe immediatamente distrutto. Allo stesso tempo, neppure la vetroresina è adatta ad essere utilizzata in autoclave nella realizzazione della normale produzione, dove le temperature possono arrivare oltre i 130 °C e le pressioni a diversi bar. Basterebbero pochi cicli, e quindi pochi componenti prodotti, per cominciare a deteriorarsi perdendo la precisione geometrica. E’ necessario quindi aggiungere un passaggio intermedio.
-Dallo stampo in vetroresina al modello in fibra di carbonio
Sullo stampo in vetroresina sono stesi alcuni tessuti di fibra di carbonio, “pre-impregnati” da resina, e infilati in autoclave per seguire i cicli di “solidificazione”. E’ principalmente la resina, infatti, a delineare i parametri da utilizzare nel trattamento termico, definendo non solo temperatura e pressione massime, ma anche le rampe di raffreddamento. Inoltre, è sempre la resina ad avere un ruolo fondamentale nel caratterizzare il comportamento termico di stampi e modelli, permettendo di aggirare problematiche talvolta complesse di gestione delle dilatazioni termiche.
A conclusione di questo processo di “solidificazione” e raffreddamento, lo stampo in vetroresina viene aperto e ne esce un modello (detto “master”) di composito in fibra di carbonio.
-Dal modello in fibra di carbonio allo stampo per produrre il finito
Sul modello appena realizzato sono stesi alcuni tessuti di fibra di carbonio pre-impregnati. Il procedimento è lo stesso di quello utilizzato per realizzare in modello in fibra di carbonio, ma è ora indirizzato a costruire un nuovo stampo; anche i materiali sono di solito identici.
Diventa fondamentale anche il valore di spessore delle parti (stampi o componenti) che si stanno trattando. Per ottenere i migliori risultati la polimerizzazione deve essere sempre completa ed omogenea. Il calore deve entrare in profondità e deve restarci un periodo ragionevole.
In aggiunta, è abbastanza evidente come uno stampo risulti, di solito, molto più “massiccio” del pezzo che andrà a costruire. Questo è legato innanzitutto alla sua maggiore dimensione che si porta dietro, di solito, un maggiore spessore, necessario a dare una certa stabilità e rigidezza geometrica allo stampo. Ma è soprattutto legato alla necessità di realizzare uno stampo molto resistente, in grado di produrre un numero elevato di pezzi. Nel mondo dei compositi queste considerazioni sono ancora più pertinenti e portano sia a stampi che a modelli “master” molto più massicci dei componenti in composito che si andranno a realizzare. Mentre questi componenti saranno apprezzati soprattutto per la loro leggerezza, i loro stampi e modelli dovranno al contrario risultare robusti e resistenti. Il risultato pratico è che, mentre le cotture in autoclave per i pezzi finali possono essere fatte persino a 140 °C, limitandoci alle 3 ore di processo, in quelle per stampi e “master” si è costretti a scendere a 70-80°C, prolungando così i trattamenti per non meno di 12-14 ore.
-Dallo stampo al componente finito
Non se è parlato in precedenza, ma resta evidente come ogni stampo andrà progettato con molta cura a partire, ovviamente dalle geometrie del componente che andrà a realizzare e del processo produttivo necessario a produrre il componente. Ma, e qui interviene la peculiarità della produzione di parti in compositi, lo stampo dovrà essere progettato tenendo conto soprattutto delle particolarità del processo produttivo che sarà utilizzato proprio per realizzare lo stampo. Detto in altri termini, anche se in modo molto semplificato, quando si progetta uno stampo da realizzarsi in alluminio tramite fresa, è sufficiente preoccuparsi di verificare che l’utensile da taglio riesca a raggiungere certe zone. Quando si tratta di uno stampo in fibra di carbonio, bisogna stare attenti persino a proporzionare gli spessori con le temperature di cottura e con la direzione delle fibre.
Ovviamente, non è sostenibile pensare di realizzare un componente da vendere per ogni ciclo di autoclave. Di conseguenza, dal modello “master” saranno stati realizzati un numero significativo di stampi in fibra di carbonio e, quindi, al termine di ogni “infornata” ci troveremo già a disporre di un piccola serie di componenti.
