Esiste un'ampia scelta di materie prime per i compositi, tra cui resine, fibre e materiali d'anima, e ogni materiale ha le sue proprietà uniche di resistenza, rigidità, tenacità e stabilità termica, con costi e rese variabili. Tuttavia, le prestazioni finali di un materiale composito nel suo complesso non sono legate solo alla matrice di resina e alle fibre (così come al materiale d'anima in una struttura a sandwich), ma anche strettamente correlate al metodo di progettazione e al processo di fabbricazione dei materiali nella struttura. In questo articolo, introdurremo i metodi di fabbricazione comunemente utilizzati per i compositi, i principali fattori che influenzano ciascun metodo e le modalità di selezione delle materie prime per i diversi processi.
Stampaggio a spruzzo
1, descrizione del metodo: il materiale di rinforzo in fibra di vetro e il sistema di resina vengono spruzzati contemporaneamente nello stampo e poi polimerizzati sotto pressione atmosferica in prodotti compositi termoindurenti tramite un processo di stampaggio.
2. Selezione del materiale:
Resina: principalmente poliestere
Fibra: filato di fibra di vetro grossolana
Materiale del nucleo: nessuno, deve essere combinato solo con compensato
3. Principali vantaggi:
1) Lunga storia di artigianato
2) Basso costo, rapida posa di fibre e resina
3) Basso costo dello stampo
4, i principali svantaggi:
1) Il compensato è facile da formare, area ricca di resina, peso elevato
2) È possibile utilizzare solo fibre tagliate corte, il che limita notevolmente le proprietà meccaniche del compensato.
3) Per facilitare la spruzzatura, la viscosità della resina deve essere sufficientemente bassa, altrimenti si perdono le proprietà meccaniche e termiche del materiale composito.
4) L'elevato contenuto di stirene nella resina spray comporta un elevato potenziale di rischio per l'operatore, mentre la bassa viscosità fa sì che la resina possa penetrare facilmente negli abiti da lavoro del dipendente ed entrare in contatto diretto con la pelle.
5) La concentrazione di stirene volatile nell'aria è difficilmente conforme ai requisiti di legge.
5. Applicazioni tipiche:
Recinzioni semplici, pannelli strutturali a basso carico come carrozzerie di auto decappottabili, carenature di camion, vasche da bagno e piccole imbarcazioni.
Stampaggio a mano
1. Descrizione del metodo: infiltrazione manuale della resina nelle fibre, che possono essere intrecciate, cucite o incollate con altri metodi di rinforzo. Lo stampaggio manuale viene solitamente eseguito con rulli o pennelli, quindi la resina viene pressata con un rullo per colla per farla penetrare nelle fibre. Il compensato viene sottoposto a pressione normale per la polimerizzazione.
2. Selezione del materiale:
Resina: nessun requisito, sono disponibili resine epossidiche, poliestere, estere a base di polietilene, fenoliche
Fibra: nessun requisito, ma il peso di base della fibra aramidica più grande è difficile da infiltrare nella fibra posata a mano
Materiale del nucleo: nessun requisito
3, i principali vantaggi:
1) Lunga storia della tecnologia
2) Facile da imparare
3) basso costo dello stampo se si utilizza resina polimerizzante a temperatura ambiente
4) Ampia scelta di materiali e fornitori
5) Alto contenuto di fibre, fibre più lunghe utilizzate rispetto al processo di spruzzatura
4. Principali svantaggi:
1) La miscelazione della resina, il contenuto di resina del laminato e la qualità sono strettamente correlati alla competenza dell'operatore, è difficile ottenere un basso contenuto di resina e una bassa porosità del laminato
2) Rischi per la salute e la sicurezza della resina: minore è il peso molecolare della resina applicata a mano, maggiore è il potenziale rischio per la salute; minore è la viscosità, maggiore è la probabilità che la resina penetri negli abiti da lavoro dei dipendenti e quindi entri in contatto diretto con la pelle.
3) Se non è installata una buona ventilazione, la concentrazione di stirene evaporato dagli esteri a base di poliestere e polietilene nell'aria difficilmente soddisfa i requisiti legali
4) La viscosità della resina incollata a mano deve essere molto bassa, quindi il contenuto di stirene o di altri solventi deve essere elevato, perdendo così le proprietà meccaniche/termiche del materiale composito.
5) Applicazioni tipiche: pale di turbine eoliche standard, imbarcazioni prodotte in serie, modelli architettonici.
Processo di insacchettamento sottovuoto
1. Descrizione del metodo: Il processo di insaccamento sottovuoto è un'estensione del processo di stratificazione manuale sopra descritto, ovvero la sigillatura di uno strato di pellicola di plastica sullo stampo sarà realizzata manualmente sottovuoto con compensato, applicando una pressione atmosferica al compensato per ottenere l'effetto di esaurimento e serraggio, al fine di migliorare la qualità del materiale composito.
2. selezione del materiale:
Resina: principalmente resine epossidiche e fenoliche, poliestere ed estere a base di polietilene non sono applicabili, perché contengono stirene, volatilizzazione nella pompa a vuoto
Fibra: nessun requisito, anche se il peso base delle fibre più grandi può essere infiltrato sotto pressione
Materiale del nucleo: nessun requisito
3. Principali vantaggi:
1) È possibile ottenere un contenuto di fibre più elevato rispetto al processo di laminazione manuale standard
2) Il rapporto dei vuoti è inferiore rispetto al processo standard di laminazione manuale.
3) Sotto pressione negativa, la resina scorre sufficientemente per migliorare il grado di infiltrazione delle fibre, ovviamente, parte della resina verrà assorbita dai materiali di consumo sotto vuoto
4) Salute e sicurezza: il processo di insacchettamento sottovuoto può ridurre il rilascio di sostanze volatili durante il processo di polimerizzazione
4. Principali svantaggi:
1) Il processo aggiuntivo aumenta il costo della manodopera e del materiale del sacchetto sottovuoto monouso
2) Requisiti di competenza più elevati per gli operatori
3) La miscelazione della resina e il controllo del contenuto di resina dipendono in larga misura dalla competenza dell'operatore
4) Sebbene i sacchetti sottovuoto riducano il rilascio di sostanze volatili, il rischio per la salute dell'operatore è comunque più elevato rispetto a quello del processo di infusione o preimpregnato.
5. Applicazioni tipiche: yacht di grandi dimensioni, in edizione limitata, parti di auto da corsa, processo di costruzione navale dell'incollaggio del materiale di base.
Stampaggio ad avvolgimento
1. Descrizione del metodo: Il processo di avvolgimento viene utilizzato principalmente per produrre parti strutturali cave, rotonde o ovali, come tubi e canali. I fasci di fibre vengono impregnati di resina e poi avvolti su un mandrino in varie direzioni. Il processo è controllato dalla macchina avvolgitrice e dalla velocità del mandrino.
2. Selezione del materiale:
Resina: nessun requisito, come resina epossidica, poliestere, estere a base di polietilene e resina fenolica, ecc.
Fibra: nessun requisito, utilizzo diretto dei fasci di fibre del telaio della bobina, non è necessario tessere o cucire il tessuto in fibra
Materiale del nucleo: nessun requisito, ma la pelle è solitamente un materiale composito monostrato
3. i principali vantaggi:
(1) la velocità di produzione elevata è un modo economico e ragionevole di effettuare i layup
(2) Il contenuto di resina può essere controllato misurando la quantità di resina trasportata dai fasci di fibre che passano attraverso la scanalatura della resina.
(3) Costo della fibra ridotto al minimo, nessun processo di tessitura intermedio
(4) eccellenti prestazioni strutturali, perché i fasci di fibre lineari possono essere disposti lungo le varie direzioni di carico
4. Principali svantaggi:
(1) Il processo è limitato alle strutture cave rotonde.
(2) Le fibre non sono disposte facilmente e accuratamente lungo la direzione assiale del componente
(3) Costo più elevato dello stampaggio positivo del mandrino per parti strutturali di grandi dimensioni
(4) La superficie esterna della struttura non è una superficie di stampo, quindi l'estetica è peggiore
(5) L'uso di resina a bassa viscosità, necessità di prestare attenzione alle proprietà meccaniche e alle prestazioni di salute e sicurezza
Applicazioni tipiche: serbatoi e tubazioni per lo stoccaggio di sostanze chimiche, bombole, bombole di respirazione per vigili del fuoco.
Stampaggio a pultrusione
1. Descrizione del metodo: dal porta bobina, il fascio di fibre viene impregnato di colla e trascinato attraverso la piastra riscaldante, dove la resina viene infiltrata e il contenuto di resina viene controllato. Infine, il materiale viene polimerizzato nella forma desiderata; questa forma del prodotto polimerizzato viene tagliata meccanicamente in diverse lunghezze. Le fibre possono entrare nella piastra riscaldante anche in direzioni diverse da 0 gradi. L'estrusione e lo stampaggio a stiramento sono processi di produzione continui e la sezione trasversale del prodotto ha solitamente una forma fissa, consentendo lievi variazioni. Il materiale pre-bagnato passa attraverso la piastra riscaldante, si fissa e si distribuisce nello stampo, polimerizzando immediatamente. Sebbene tale processo sia meno continuo, può comunque ottenere la variazione di forma della sezione trasversale.
2. Selezione del materiale:
Resina: solitamente resina epossidica, poliestere, estere a base di polietilene e resina fenolica, ecc.
Fibra: nessun requisito
Materiale del nucleo: non comunemente utilizzato
3. Principali vantaggi:
(1) la velocità di produzione elevata è un modo economico e ragionevole per pre-bagnare e polimerizzare i materiali
(2) controllo preciso del contenuto di resina
(3) minimizzazione dei costi della fibra, nessun processo di tessitura intermedio
(4) eccellenti proprietà strutturali, poiché i fasci di fibre sono disposti in linee rette, la frazione di volume delle fibre è elevata
(5) l'area di infiltrazione delle fibre può essere completamente sigillata per ridurre il rilascio di sostanze volatili
4. gli svantaggi principali:
(1) il processo limita la forma della sezione trasversale
(2) Costo più elevato della piastra riscaldante
5. Applicazioni tipiche: travi e capriate di strutture abitative, ponti, scale e recinzioni.
Processo di stampaggio a trasferimento di resina (RTM)
1. Descrizione del metodo: Le fibre secche vengono depositate nello stampo inferiore, che può essere pre-pressurizzato per adattarle il più possibile alla forma dello stampo e legarle adesivamente; quindi, lo stampo superiore viene fissato sullo stampo inferiore per formare una cavità, dove la resina viene iniettata. L'iniezione e l'infiltrazione delle fibre con resina assistita dal vuoto, nota come iniezione di resina assistita dal vuoto (VARI), sono comunemente utilizzate. Una volta completata l'infiltrazione delle fibre, la valvola di introduzione della resina viene chiusa e il composito viene polimerizzato. L'iniezione e la polimerizzazione della resina possono essere eseguite a temperatura ambiente o in condizioni di calore.
2. Selezione del materiale:
Resina: solitamente resina epossidica, poliestere, polivinile e fenolica, la resina bismaleimmidica può essere utilizzata ad alta temperatura
Fibra: nessun requisito. La fibra cucita è più adatta a questo processo, perché lo spazio tra i fasci di fibre favorisce il trasferimento della resina; esistono fibre appositamente sviluppate per favorire il flusso della resina.
Materiale del nucleo: la schiuma cellulare non è adatta, perché le celle a nido d'ape saranno riempite di resina e la pressione causerà anche il collasso della schiuma.
3. i principali vantaggi:
(1) Frazione di volume di fibre più elevata, bassa porosità
(2) Salute e sicurezza, ambiente operativo pulito e ordinato poiché la resina è completamente sigillata.
(3) Ridurre l'uso della manodopera
(4) I lati superiore e inferiore delle parti strutturali sono superfici stampate, il che facilita il successivo trattamento superficiale.
4. Principali svantaggi:
(1) Gli stampi utilizzati insieme sono costosi, pesanti e relativamente ingombranti per resistere a pressioni maggiori.
(2) limitato alla fabbricazione di piccole parti
(3) Possono verificarsi facilmente aree non bagnate, con conseguente produzione di un gran numero di rottami
5. Applicazioni tipiche: componenti piccoli e complessi per lo Space Shuttle e per automobili, sedili dei treni.
Data di pubblicazione: 08-08-2024
