Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

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Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

• COMPOSITI
• PARTE 2
• Prof. Claudio Scarponi
• Ing. Carlo Andreotti

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PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI
COMPOSITILAMINAZIONE

• 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
COMPOSITILAMINAZIONE

• 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
COMPOSITILAMINAZIONE
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PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI
COMPOSITILAMINAZIONE

• La superficie a contatto con lo stampo ha una
  perfetta finitura superficiale.

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PROCESSI TECNOLOGICI PER LA FABBRICAZIONE DEI
COMPOSITILAMINAZIONE

• 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
COMPOSITILAMINAZIONE
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO
PIENODISPOSIZIONE 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 dellumidità.
• Controllo della pulizia.
• Presenza di sovrapressione allinterno per
  impedire lingresso 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
PIENODISPOSIZIONE SULLO STAMPO

• Taglio delle tele sulle sagome. Le
  caratteristiche del taglio sono riportate di
  seguito
• 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
PIENODISPOSIZIONE 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
  sullaltro 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 sullattrezzo.
• Applicazione di un agente distaccante sullo
  stampo.
• Stratificazione manuale delle tele pretagliate
  sullo stampo (le tele sono disposte rispettando
  lordine 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 allinterno degli strati.
• Preparazione del sacco a vuoto.

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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO
PIENOESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO

• Lesecuzione del sacco a vuoto è una serie di
  operazioni preparatorie allingresso in autoclave
  dello stratificato fresco che consistono in
• Applicazione di un agente distaccante per
  separare lo stratificato dallattrezzo.
• 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 dellaria
  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
PIENOESECUZIONE 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
  uneccellente 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
PIENOESECUZIONE 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
PIENOESECUZIONE DEL SACCO A VUOTO
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO
PIENOCICLO DI CURA IN AUTOCLAVE

• Lautoclave è un contenitore nel quale è
  possibile ottenere una pressione positiva
  (generalmente dellordine di 3 atm) e una
  sovratemperatura (in genere 350 F).

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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO
PIENOCICLO DI CURA IN AUTOCLAVE
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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO
PIENOCICLO DI CURA IN AUTOCLAVE

• Le fasi di un ciclo di polimerizzazione
  (curing) possono essere riassunte nei seguenti
  punti
• Introduzione dellinsieme stampo-stratificato-sacc
  o in autoclave e chiusura della stessa.
• Innalzamento della pressione fino a 20 psi.
• Eliminazione del vuoto nel sacco mediante
  collegamento con latmosfera 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 6070C.
• Diminuzione della pressione di autoclave fino
  alla pressione atmosferica e apertura
  dellautoclave.
• Estrazione dellinsieme dallautoclave.
• Raffreddamento quasi a temperatura ambiente.

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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO
PIENOCICLO 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, nellarea in eccesso dellestremità,
  con strati aggiuntivi di preimpregnato).
• Operazioni di finitura.
• Ispezione e collaudo.

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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN LAMINATO
PIENOCICLO 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 dape o honey-comb) e da
  due piastre incollate mediante un adesivo
  strutturale.
• Lutilità di tale pannello è di conferire alla
  struttura unelevata rigidezza flessionale e
  torsionale e unalta resistenza al taglio.

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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 delladesivo a film.

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PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN SANDWICH

• Preparazione del nido dape 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 dape 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 dape

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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

• Langolo 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 lavvolgimento e
  presentare unelevata 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 lumidità 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 WINDINGESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT
WINDING
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FILAMENT WINDINGESEMPI DI MACCHINE PER FILAMENT
WINDING
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FILAMENT WINDINGESEMPI 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 unenorme
  importanza.
• E un aspetto comune a tutte le tecnologie.
• La bassa consistenza della domanda non consente
  una serializzazione, pertanto lammortamento
  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.