IT201900001681A1

IT201900001681A1 - Nuovo materiale composito per l’alleggerimento di varie strutture.

Info

Publication number: IT201900001681A1
Application number: IT102019000001681A
Authority: IT
Inventors: Vincenzo Tagliaferri; Roberto Papetti; Vittorio Sisto; Francesco David
Original assignee: Vincenzo Tagliaferri; Flii Mazzocchia S P A
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2020-08-06
Also published as: WO2020161220A1; EP3921144A1

Description

CAMPO DELL’INVENZIONE

In scienza dei materiali un materiale composito è un materiale eterogeneo, cioè costituito da due o più fasi con proprietà fisiche differenti, in cui dette proprietà sono migliori di quelle delle fasi che lo costituiscono. Solitamente, le diverse fasi nel composito sono costituite da materiali diversi, come nel caso di compositi di fibra di carbonio e resina epossidica. Vi sono tuttavia delle eccezioni in cui le diverse fasi sono fatte dello stesso materiale, come ad esempio SiC/SiC e Polipropilene auto-rinforzato (SRPP).

I singoli materiali che formano i compositi sono chiamati costituenti, ed a seconda della loro funzione prendono il nome di matrice e rinforzo (o carica).

La matrice è la parte polimerica (ad esempio la resina) mentre il rinforzo sono le fibre.

L'insieme di queste due parti costituisce un prodotto in grado di garantire proprietà meccaniche elevate e massa volumica più bassa, per questo motivo i compositi sono largamente usati nelle applicazioni dove la leggerezza e la resistenza sono cruciali come ad esempio l’aeronautica.

La matrice è costituita da una fase continua omogenea, che ha il compito di:

- racchiudere il rinforzo, garantendo la coesione del materiale composito (e degli eventuali strati di cui esso è composto, nel caso di composito laminato);

- garantire che le particelle o le fibre di rinforzo presentino la giusta dispersione all'interno del composito e non si abbia segregazione.

Nella maggioranza dei casi le matrici sono polimeriche perché garantiscono bassa densità (e quindi leggerezza del materiale finale): hanno però il difetto di ridurre drasticamente le performance all’aumentare della temperatura.

Nei materiali compositi a matrice polimerica si possono utilizzare (come matrice) ad esempio le resine epossidiche (le stesse usate in alcuni adesivi e poliesteri) oppure le resine fenoliche, eventualmente additivate con altri polimeri (come ad esempio PVB) che contribuiscono a migliorare le caratteristiche meccaniche (come ad esempio la flessibilità) del materiale composito pur mantenendo l'adesione al rinforzo.

Il rinforzo è rappresentato da una fase dispersa, che viene appunto dispersa in varie modalità all'interno della matrice e ha il compito di assicurare rigidezza e resistenza meccanica, assumendo su di sé la maggior parte del carico esterno. A seconda del tipo di rinforzo, i materiali compositi si suddividono in:

- compositi particellari;

- compositi rinforzati con fibre;

- compositi strutturati (ad esempio pannelli a sandwich, materiali compositi laminati e pannelli compositi in alluminio).

Nei compositi particellari il rinforzo è costituito da "particelle", le quali (a differenza delle fibre) possono assumersi equiassiche. Le proprietà chimico-fisiche dei materiali compositi particellari dipendono dalla geometria del sistema particellare, ovvero:

- dimensioni e forma delle particelle

- concentrazione, distribuzione e orientamento delle particelle all'interno della fase matrice.

I compositi rinforzati con fibre possono essere a loro volta classificati in: - compositi a fibre continue (o lunghe);

- compositi a fibre discontinue (o corte) allineate tra loro;

- compositi a fibre discontinue (o corte) disposte in maniera casuale.

I materiali compositi con fase dispersa fibrosa presentano una spiccata anisotropia. Questa anisotropia non si riscontra (o per lo meno è molto minore) nei compositi particellari, nella misura in cui dette particelle sono equiassiche. L'anisotropia, se controllata, può costituire un vantaggio: il materiale viene rinforzato in quelle direzioni dove si sa verrà caricato e dunque le prestazioni vengono ottimizzate (come nel caso dei compositi a fibre continue). Se, invece, è dovuta a fenomeni più difficilmente controllabili (ad esempio flusso plastico del materiale in uno stampo, come nel caso dei compositi a fibre corte) diviene problematica perché l'orientazione delle direzioni di massimo rinforzo difficilmente coincide con quella desiderata.

Nel caso di compositi rinforzati con fibre, il rinforzo può essere ad esempio costituito da:

- fibra di vetro;

- fibra di carbonio (costituite da carbonio grafitico e carbonio amorfo);

- fibre ceramiche (ad esempio carburo di silicio o allumina);

- fibra aramidica (come il Kevlar);

- fibra di basalto.

TECNICA NOTA

Ad oggi i materiali compositi polimerici per impieghi strutturali sono costituiti da due fasi: una matrice polimerica termoindurente o termoplastica e fibre di diversa natura con elevata resistenza a trazione e bassa densità. La matrice ha la funzione di impregnare e tenere insieme le fibre consentendo di dare la forma al materiale, in relazione al componente che si intende realizzare, e di trasferire alle fibre le sollecitazioni applicate al componente durante l’impiego. Perché le fibre contribuiscano alla resistenza strutturale del composito occorre che l’adesione tra le fibre e la matrice sia molto elevata. I compositi polimerici rinforzati con fibre sono una classe di materiali molto impiegati nell’ambito aerospaziale in quanto caratterizzati da leggerezza e elevata resistenza strutturale specifica (rapporto tra la resistenza e la densità) che consente di ridurre i consumi energetici e/o di aumentare il carico utile dei velivoli. In questo ambito sono, allo stato attuale, particolarmente studiati i compositi con matrice termoindurente rinforzati con fibre di carbonio per le elevate prestazioni che questi offrono. La diffusione su altri mezzi di trasporto in ambito terrestre e navale risulta attualmente limitata dall’elevato costo delle fibre di carbonio e dalle tecnologie di produzione dei manufatti in composito che si presentano in genere poco flessibili e comunque automatizzabili solo per alcune geometrie di prodotto.

DESCRIZIONE DELLE FIGURE

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati.

In figura 1 è riportato il feltro (tappetino tridimensionale) ottenuto attraverso la manifattura della fibra di carbonio, in cui le fibre sono orientate secondo un’architettura tridimensionale e casuale.

In figura 2 è riportato uno schema funzionale sistema di infusione comprendente:

- uno stampo (1);

- una flangia (2) dello stampo;

- un sacco a vuoto (3);

- sigillante (4) per sacco a vuoto;

- una linea di aspirazione (5);

- una linea di infusione (6);

- una stazione di aspirazione (7);

- resina (8).

In figura 3 è riportato il nuovo materiale composito ottenuto al termine del nuovo procedimento della presente invenzione.

In figura 4 è riportato in grafico il risultato delle prove di trazione nella stessa direzione di infusione della resina su pannelli a 4 strati.

In figura 5 è riportato in grafico il risultato delle prove di trazione nella direzione a 45° rispetto alla direzione di infusione della resina su pannelli a 4 strati.

In figura 6 è riportato in grafico il risultato delle prove di trazione nella direzione a 90° rispetto alla direzione di infusione della resina su pannelli a 4 strati.

In figura 7 è riportato in grafico il risultato delle prove di flessione nella stessa direzione di infusione della resina su pannelli a 4 strati.

In figura 8 è riportato in grafico il risultato delle prove di flessione nella direzione a 45° rispetto alla direzione di infusione della resina su pannelli a 4 strati.

In figura 9 è riportato in grafico il risultato delle prove di flessione nella direzione a 90° rispetto alla direzione di infusione della resina su pannelli a 4 strati.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda compositi polimerici per impieghi strutturali comprendenti fibre inorganiche o sintetiche, preferibilmente da riciclo, aventi geometria tridimensionale. Inoltre la presente invenzione riguarda un metodo per la preparazione di detti materiali compositi.

I materiali compositi in accordo con la presente invenzione sono utili in campo automobilistico, aeronautico, ferroviario, navale e in genere per tutte quelle applicazioni industriali in cui sono richieste strutture leggere e resistenti.

Il materiale composito oggetto della presente invenzione è realizzato utilizzando un processo denominato infusione.

L’infusione è una tecnica per la realizzazione di compositi che prevede la stesura delle fibre di rinforzo sullo stampo a secco, cioè senza resina, e successivamente l’apporto di resina allo stampo per depressione. Si crea cioè all’interno dello stampo un’area a minor pressione, rispetto a quella atmosferica circostante, in grado di attrarre la resina per la quale sono state predisposte dei canali di afflusso che vanno dai serbatoi di stoccaggio della resina allo stampo. Questa depressione, comunemente chiamata “vuoto”, si ottiene mediante la copertura dello stampo con una pellicola di materiale plastico, comunemente chiamata “sacco del vuoto”, efficacemente collegata allo stampo per evitare infiltrazioni d’aria. Dalla zona fra il sacco del vuoto e lo stampo viene aspirata aria mediante una pompa elettromeccanica e dei condotti di aspirazione, si otterrà che il sacco del vuoto aderisce con forza allo stampo schiacciando le fibre e creando la depressione necessaria a far affluire la resina. Una volta che la resina inizia a defluire nello stampo deve riuscire a percorrere tutta la superficie dello stampo, impregnando cioè tutte le fibre, in un tempo inferiore al tempo di catalizzazione.

La resina infatti deve rimanere nello stato liquido durante tutto il processo di infusione per permettere la completa impregnazione di tutte le zone, solo a questo punto può iniziare il processo di catalizzazione della resina che quindi passa allo stato solido con reazione esotermica. In generale la resina passa dai serbatoi di stoccaggio allo stampo attraverso dei tubi opportunamente dimensionati e posizionati. Una volta all’interno dello stampo però, la resina deve poter scorrere agevolmente e quindi bisogna prevedere delle modalità di diffusione della resina che variano a seconda della tipologia di infusione adottata.

È pertanto un oggetto della presente invenzione un materiale composito comprendente un feltro, in cui detto feltro è ottenuto come di seguito riportato:

Fase 1 – Manifattura delle fibre

• Fase 1A - TAGLIO DELLA FIBRE

Le fibre vengono tagliate tramite una unità di taglio (rotary cutter) in modo da ottenere delle fibre di una dimensione compresa tra 1-600 mm; preferibilmente 15-300 mm; molto preferibilmente 30-60 mm di lunghezza.

Dette fibre sono scelte nel gruppo comprendente: fibra di carbonio, di vetro, ceramica, aramidica, di basalto; preferite sono le fibre di carbonio; molto preferiti sono i teli in fibra di carbonio provenienti dagli scarti dell’industria aerospaziale.

• Fase 1B - APERTURA DELLE FIBRE

Una volta tagliate, le fibre vengono raccolte in una cardatrice che permette di aprire il fascio di fibre e districarle.

• Fase 1C - EMULSIONE DELLE FIBRE

Le fibre districate vengono sottoposte ad uno step denominato “step enzimico” in cui, grazie a un sistema di trasporto pneumatico, le fibre vengono trasportate in una tramoggia nella quale, con l’ausilio di specifici ugelli viene nebulizzato un prodotto emulsionante con il duplice obiettivo di favorire lo scorrimento delle fibre e abbattere la carica elettrostatica. Per prodotto emulsionante si intende una sostanza in grado di stabilizzare un'emulsione, agendo da tensioattivo o da stabilizzante. Gli emulsionanti sono ben noti all’esperto dell’arte.

• Fase 1D - INCREMENTO DELLA ADESIVITA’ DELLE FIBRE

Opzionalmente in questa fase viene applicata una sostanza/appretto, resinoide utile per favorire l’adesività delle fibre alla matrice. Questo step è particolarmente importante perché consente di tutelare le proprietà meccaniche delle fibre e le rende più bagnabili. Le sostanze resinoidi sono ben noti all’esperto dell’arte.

• Fase 1E - AGGIUNTA FIBRE AUSILIARI DI SUPPORTO

Successivamente la massa di fibre delle fasi precedenti viene mescolata tramite una unità di mescolamento (mixing unit) con fibre ausiliari di supporto scelte nel gruppo comprendente: fibre naturali quali il cotone o il lino; fibre organiche di poliestere (PES); fibre in poliesterechetone (PEEK); fibre inorganiche di vetro, metallo e/o aramidiche; in cui queste fibre ausiliari di supporto sono presenti in una dose dello 0,5-50%, preferibilmente 1-10%; molto preferibilmente 5% della composizione totale. Le fibre ausiliari di supporto consentono un rinforzo omogeneo e garantiscono specifiche proprietà funzionali.

• Fase 1F - CARDATURA

Le fibre delle fasi precedenti vanno ad alimentare una macchina di cardatura, preferibilmente cardatura aerodinamica, in cui le fibre vengono districate, formate ad aria e distribuite secondo una orientazione parzialmente parallela. Il vantaggio della cardatura aerodinamica, oltre al fatto che è più economica, è che preserva la lunghezza delle fibre poiché il contatto con gli organi meccanici è minimizzato. Dalla fase di cardatura aerodinamica si ottiene quindi un velo di fibre orientate secondo un’architettura tridimensionale e unidirezionale.

• Fase 1G - STRATIFICAZIONE DEI VELI

Il velo di fibre viene successivamente stratificato ed unito insieme ad altri veli per creare un tessuto dalla struttura tessile piana del desiderato spessore e grammatura.

• Fase 1H - SALDATURA DEI VELI

Per favorire la coesione i diversi strati di veli vengono riscaldati fino a che le fibre, per via termica, vengono saldate l’una all’altra per effetto del riscaldamento, ottenendo così un tessuto non tessuto.

• Fase 1L - PREPARAZIONE/OTTENIMENTO DEL FELTRO

Per aumentare la compattezza della struttura il tessuto non tessuto della fase precedente viene fatto passare attraverso dei rulli, con ottenimento di un feltro di tessuto non tessuto (tappetino tridimensionale) le cui proprietà fisiche e meccaniche variano a seconda delle esigenze applicative in termini di peso, spessore, grammatura, percentuale di fibre e additivanti ausiliari e grado di orientazione delle fibre.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento di preparazione di un materiale composito comprendente le seguenti fasi:

FASE 1 - Manifattura delle fibre.

Questa “Fase” è quella sopra descritta.

FASE 2 - Realizzazione dello stampo.

Gli stampi possono essere realizzati in legno, tavole epossidiche, metallo o in materiale composito. Generalmente si utilizzano stampi metallici o in materiale composito per produrre numerosi componenti mentre si utilizzano stampi in legno per la produzione di prototipi.

FASE 3 - Preparazione dello stampo.

Lo stampo viene assemblato se composto da più parti e ricoperto con un prodotto distaccante per facilitare il distacco del manufatto finito quando la laminazione sarà terminata.

FASE 4 - Taglio del materiale di rinforzo.

Il materiale di rinforzo (il tappetino tridimensionale della Fase 1) viene tagliato ottenendo delle sagome di rinforzo che si adattano allo stampo realizzato e preparato durante le fasi 2 e 3.

FASE 5 - Stesura del materiale di rinforzo sullo stampo (laminazione).

La stesura del materiale di rinforzo sullo stampo avviene a secco facilitandone il posizionamento su detto stampo e permettendo di usare materiale di rinforzo con grammatura elevata. Detta stesura prevede il posizionamento di più strati di materiale di rinforzo andando a realizzare un laminato.

FASE 6 – opzionale – Copertura dello stampo.

Se la stesura dei materiali di rinforzo della fase 5 si protrae nel tempo è opportuno coprire lo stampo con teli di plastica fra una sessione lavorativa e la successiva, per evitare che residui di fibre o polveri si depositino sul materiale di rinforzo.

FASE 7 – opzionale - Mantenimento del materiale di rinforzo in posizione sullo stampo.

Bisogna assicurarsi che i materiali di rinforzo posizionati sullo stampo durante la fase 5, non si muovano durante le fasi successive. Per mantenere i tessuti in posizione vengono usati dei collanti spray inerti che non interferiscono con la resina. In alternativa si possono utilizzare degli spilli, appositamente studiati, particolarmente lunghi e sottili in grado di tenere i tessuti uniti fra loro.

FASE 8 - Posa ausiliari di infusione.

Ultimata la fase di laminazione del materiale di rinforzo si deve ricoprire lo stampo con gli ausiliari dell’infusione, ovvero dei tools che consentono il flusso della resina all’interno del laminato e quindi della realizzazione del processo di infusione.

FASE 9 - Posa network di infusione.

Il network di infusione si compone di tubi, raccordi, valvole, innesti e trappole che permettono l’aspirazione del vuoto e l’iniezione della resina all’interno del sacco da vuoto. I canali di infusione della resina generalmente sono costituiti da tubi che partono dai serbatoi di stoccaggio e arrivano al manufatto.

Dopo aver steso la rete del network di infusione bisogna approntare i canali di aspirazione che sono necessari alla creazione della depressione o “vuoto”.

FASE 10 - Stesura sacco da vuoto.

La fase successiva consiste nella stesura del sacco del vuoto che viene posto al di sopra di tutti gli strati precedentemente descritti. Il sacco da vuoto è costituito da una pellicola plastica impermeabile all’aria che viene stesa sopra lo stampo e fissata lungo tutto il suo perimetro per scongiurare l’ingresso dell’aria.

Il sacco del vuoto va quindi sagomato, appoggiato sopra lo stampo e ritagliato lungo il perimetro. Infine, bisogna fissare il perimetro del sacco da vuoto alla flangia dello stampo all’esterno delle linee di aspirazione.

FASE 11 – Realizzazione del vuoto.

Quando le fasi precedenti sono state completate correttamente si può procedere con la realizzazione del vuoto, utilizzando una stazione di pompaggio costituita da una o più pompe per far defluire l’aria presente fra il sacco del vuoto e lo stampo.

FASE 12 – Infusione della resina.

Bisogna innanzitutto versare la resina nei contenitori e poi aggiungere il catalizzatore e gli eventuali additivi quali acceleranti o ritardanti. Questi additivi sono ben noti all’esperto dell’arte. L’intervallo di temperatura entro il quale si può eseguire l’infusione va da 16°C ai 32°C.

Appena aggiunto il catalizzatore si devono aprire i rubinetti di arresto delle linee di infusione per permettere alla resina di iniziare ad affluire allo stampo.

L’infusione si può dire conclusa quando tutte le zone sono state raggiunte dalla resina, a questo punto si nota che la resina comincia ad entrare nelle linee di aspirazione e contemporaneamente il valore della depressione subisce un calo repentino;

in cui detto procedimento di preparazione è caratterizzato dal fatto che: - le fibre ausiliari di supporto utilizzate durante la fase 1 sono scelte nel gruppo comprendente: fibre naturali quali il cotone o il lino; fibre organiche di poliestere (PES); fibre in poliesterechetone (PEEK); fibre inorganiche di vetro, metallo e/o aramidiche;

- la fibre, al termine della fase 1, presentano una struttura filiforme avente un posizionamento del tutto casuale;

- nella fase 10 la flangia perimetrale dello stampo ha una dimensione di almeno 150mm.

- nella fase 11 il valore di depressione per la realizzazione del vuoto varia da 0,4 bar a 0,65 bar, molto preferibile è un valore di 0,55 bar;

- nella fase 12 l’intervallo di temperatura entro il quale si può eseguire l’infusione va da 16°C ai 32°C;

- il tempo di indurimento della resina utilizzata nella fase 12, varia da 6h a 24h;

- nella fase 12 il tempo di infusione dipende dalla velocità di propagazione della resina, ed in cui detta velocità di propagazione è influenzata:

- dalla temperatura ambientale;

- dalla viscosità della resina;

- dai materiali di rinforzo utilizzati;

- dalla disposizione dei canali di infusione;

- dall’l’entità della depressione e dalla complessità della superficie.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento di preparazione di un materiale composito in cui, la resina utilizzata nella fase 12 è scelta nel gruppo comprendente: resina epossidica e/o resina epossi-vinilestere.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento di preparazione di un materiale composito in cui, prima di iniziare l’infusione della fase 12, alla resina vengono aggiunti dei catalizzatori amminici. I catalizzatori amminici sono ben noti all’esperto dell’arte.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento di preparazione di un materiale composito in cui, prima di iniziare l’infusione della fase 12, alla resina vengono aggiunti degli additivi scelti nel gruppo comprendente: additivi acceleranti o ritardanti. Questi additivi sono ben noti all’esperto dell’arte.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento di preparazione di un materiale composito in cui gli stampi sono realizzati in legno, tavole epossidiche, metallo, in materiale composito e/o loro leghe.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento di preparazione di un materiale composito in cui il metodo di infusione è scelto nel gruppo comprendente: Resin Transfer Moulding, Vacuum Bag Infusion, Resin Film Infusion, Resin Liquid Infusion, Resin Injection between Double Flexible Tooling, Seeman’s Composite Resin Infusion Moulding Process e/o High Pressure Resin Transfer Moulding.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione l’uso del materiale composito secondo l’invenzione in ambito: del trasporto automobilistico, ferroviario, navale, aereo e in applicazioni industriali in cui sono richieste strutture leggere e resistenti.

Il nuovo materiale composito ottenuto al termine del procedimento sopra descritto venne sottoposto a test fisico-meccanici, come prove di trazione con estensometro, flessione, Flat-top cylinder Indenter for Mechanical Characterisation (FIMEC) e analisi modale, per valutarne la resistenza meccanica.

DETTAGLIATA DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

ESEMPIO 1 - Procedimento di preparazione di un feltro in fibra di carbonio.

• TAGLIO DELLA FIBRA DI CARBONIO

Le fibre di carbonio riciclate vennero raccolte per essere tagliate tramite una unità di taglio (rotary cutter) in modo da ottenere una dimensione omogenea delle fibre, aventi una lunghezza di circa 45mm.

• APERTURA DELLE FIBRE DI CARBONIO

Una volta tagliate le fibre di carbonio vennero raccolte in una cardatrice che permise di aprire il fascio di fibre e districarle per affrontare le fasi successive.

• EMULSIONE DELLE FIBRE

Successivamente, utilizzando un sistema di trasporto pneumatico, le fibre di carbonio vennero trasportate in una tramoggia nella quale, con l’ausilio di specifici ugelli, venne nebulizzato un prodotto emulsionante noto nell’arte.

• AUMENTO DELLA ADESIVITA’ DELLE FIBRE

Venne applicata una sostanza/appretto resinoide utile per favorire l’adesività delle fibre alla matrice, per tutelare le proprietà meccaniche delle fibre di carbonio e renderle più bagnabili. Le sostanze resinoidi sono note nell’arte.

• AGGIUNTA FIBRE AUSILIARI DI SUPPORTO

Successivamente la massa di fibre di carbonio venne mescolata, tramite una unità di mescolamento, con fibre di lino, in cui queste ultime fibre erano presenti in una quantità del 5% della composizione totale.

• CARDATURA

Le fibre così ottenute vennero lavorate con una macchina di cardatura aerodinamica, in cui le fibre vennero districate, formate ad aria e distribuite secondo una orientazione parzialmente parallela. A seguito della cardatura aerodinamica si ottenne quindi un velo di fibre orientate secondo un’architettura tridimensionale e unidirezionale (si veda figura 1).

• STRATIFICAZIONE DEI VELI

Il velo di fibre venne successivamente stratificato ed unito insieme ad altri tre veli di fibre per creare un tessuto non tessuto dalla struttura tessile piana.

• SALDATURA DEI VELI

Per favorire la coesione i quattro veli di fibre vennero riscaldati per via termica. Per effetto del riscaldamento le fibre che formavano i veli vennero saldate l’una all’altra, con ottenimento di un tessuto non tessuto.

• PREPARAZIONE/OTTENIMENTO DEL FELTRO

Per aumentare la compattezza della struttura il tessuto non tessuto venne fatto passare attraverso dei rulli, con ottenimento di un feltro di tessuto non tessuto (tappetino tridimensionale) avente uno spessore di 1mm.

Al termine della Fase 1, la fibra di carbonio del materiale di partenza (preferibilmente materiale di scarto) venne trasformata in un feltro di tessuto non tessuto (tappetino tridimensionale).

ESEMPIO 2 - Procedimento di preparazione di un pannello in materiale composito.

Venne realizzato un pannello di materiale composito, utilizzando 4 strati da 200g di feltro in fibra di carbonio lavorata come descritto nell’esempio 1. Le dimensioni di ogni singolo strato di feltro erano le seguenti: 300mm x 185mm e spessore di 1 mm.

Detti strati vennero orientati a 0°/90°/0°/90° per ottenere un laminato quasi isotropo.

Per il processo d’infusione venne utilizzata una resina epossidicavinilestere.

Al termine del procedimento il pannello risultava avere una massa di 283g.

Le caratteristiche geometriche e fisiche del pannello realizzato erano le seguenti:

• Dimensioni del pannello: 300mm x 185mm

• Spessore: 4.5mm

• Peso: 283g

• Densità: 1133 kg/mc

• % in peso di rinforzo: Pf = 15%

• % in volume di rinforzo: Vf = 9.5%

• Numero di strati da 200gr/mq: 4

• Orientazioni lamine: 0°/90°/0°/90°

ESEMPIO 3 – Caratterizzazione del materiale composito.

Utilizzando il procedimento dell’esempio 2 vennero preparati dieci pannelli del materiale composito a quattro strati secondo l’invenzione.

Questi pannelli vennero caratterizzati effettuando le seguenti prove meccaniche:

• prove di trazione nella stessa direzione del flusso di infusione della resina: indicate con “T 0°” (vedi Figura 4);

• prove di trazione nella direzione a 45° angolari rispetto al flusso di infusione della resina: indicate con “T 45°” (vedi Figura 5);

• prove di trazione nella direzione perpendicolare rispetto al flusso di infusione della resina: indicate con “T 90°” (vedi Figura 6);

• prove di flessione nella stessa direzione del flusso di infusione della resina: indicate con “F0°” (vedi Figura 7);

• prove di flessione nella direzione a 45° angolari rispetto al flusso di infusione della resina: indicate con “F 45°” (vedi Figura 8);

• prove di flessione nella direzione perpendicolare rispetto di infusione al flusso della resina: indicate con “F 90°” (vedi Figura 9);

Al termine dei test vennero riscontrate le seguenti caratteristiche meccaniche riportate nella Tabella 1 e nella Tabella 2. Nella tabelle 1 e 2 è riportata la media dei valori ottenuti caratterizzando i 10 pannelli di materiale composito realizzati con il procedimento della presente invenzione.

Tabella 1 – Prove di trazione nelle direzioni 0°, 45° e 90° del materiale composito oggetto della presente invenzione.

Tabella 2 – Prove di flessione nelle direzioni 0°, 45° e 90° del materiale composito oggetto della presente invenzione.

Nella tabelle 3 e 4 è riportata la media dei valori ottenuti caratterizzando 10 pannelli di materiale composito realizzati con classici teli di fibra di carbonio.

Tabella 3 – Prove di trazione nelle direzioni 0°, 45° e 90° di un materiale composito realizzato con classici teli di fibra di carbonio.

Tabella 4 – Prove di flessione nelle direzioni 0°, 45° e 90° di un materiale composito realizzato con classici teli di fibra di carbonio.

Confrontando la Tabella 1 con la Tabella 3 e la Tabella 2 con la Tabella 4 si notò che, a parità di concentrazione di carbonio, il materiale composito oggetto della presente invenzione presentava caratteristiche meccaniche migliori del 20% in flessione rispetto ad un materiale composito realizzato utilizzando classici teli di fibra di carbonio.

ESEMPIO 4 – Analisi modale sperimentale per la caratterizzazione di un pannello realizzato con 4 strati di feltro in fibra di carbonio.

Un pannello di materiale composito, realizzato con 4 strati da 200g di feltro in fibra di carbonio e con infusione di resina epossidica-vinilestere venne caratterizzato, attraverso analisi modale sperimentale.

Detti strati vennero orientati a 0°/90°/0°/90° per ottenere un laminato quasi isotropo. Detto pannello aveva una massa di 283g.

Le caratteristiche geometriche e fisiche del pannello analizzato erano le seguenti:

• Dimensioni pannello: 300mm x 185mm

• Spessore: 4.5mm

• Peso: 283g

• Densità: 1133 kg/mc

• % in peso di rinforzo (stimato): Pf = 15%

• % in volume di rinforzo (stimato): Vf = 9.5%

• Numero di strati da 200gr/mq: 4

• Orientazioni lamine: 0°/90°/0°/90°

I risultati furono finalizzati alla verifica delle costanti elastiche operative tramite correlazione con la corrispondente analisi modale eseguita per via numerica, sul modello ad Elementi Finiti (FE) dello stesso pannello.

Per mezzo del consolidato metodo della correlazione tra i dati sperimentali della risposta modale del pannello, e quelli ottenuti per via numerica, attraverso il tuning accurato del relativo modello FE, fu possibile verificare valori delle costanti elastiche reali del materiale esaminato, completando il quadro con le caratteristiche di smorzamento associate alle frequenze dei modi propri considerati nella caratterizzazione, nel range in frequenza tra 0 e 1000 Hz.

L’utilizzo di un pannello rettangolare, con le dimensioni di 300x185 mm, con spessore medio di 4.5mm, permise di semplificare l’analisi sperimentale, presentando una serie di forme modali tipiche e ripetitive. La fase di acquisizione, venne facilitata dalla forma bi-dimensionale del pannello, che permise di utilizzare un solo accelerometro in direzione normale al piano, su 15 punti di acquisizione equispaziati nella griglia, ed un punto di eccitazione con rilevamento della forza tramite cella di carico (di tipo impulsivo, con martello strumentato con cella di carico).

Nella fase di acquisizione, le risposte e le eccitazioni furono direttamente acquisite, sotto forma di funzioni di trasferimento nel dominio della frequenza, accelerazione/forza, tramite l’analizzatore multicanale “GenRad 2515 C.A.T. System”, con opportuna finestratura sul segnale di impatto del martello strumentato e della risposta accelerometrica, eseguendo una media su 5 colpi utili per ciascun punto di acquisizione. La funzione di “coerenza”, controllata su tutti i punti di acquisizione nel campo di acquisizione selezionato, tra 0 e 1000 Hz, presentò sempre valori pari, o vicini, a “1”, che indicarono un’ottima correlazione nel trasferimento tra l’energia di eccitazione e quella di risposta, con buona linearità e, in generale, assenza di effetti estranei all’eccitazione desiderata nelle funzioni di trasferimento.

L’analisi modale, con le funzioni acquisite, venne eseguita utilizzando il computer integrato nel sistema G.R.2515, utilizzando il software di analisi “Modal Plus” (SDRC).

Furono estratti complessivamente n.10 modi propri di vibrare del pannello, con le rispettive frequenze proprie, gli smorzamenti e le deformate che, attraverso l’animazione del modello modale, ne permisero la completa identificazione e sequenza, fornendo i dati per il preciso tuning del corrispondente modello FE, con determinazione delle costanti elastiche del materiale composito in esame.

Il pannello venne appoggiato orizzontalmente su uno strato di schiuma poliuretanica sagomata a cuspidi. Tale soluzione fu sufficiente per approssimare una condizione di massa libera da vincoli (free-free) in cui i modi rigidi della stessa sul supporto si presentarono a frequenza molto più bassa rispetto a quella del primo modo elastico della struttura, garantendo la non-interferenza.

Il pannello venne suddiviso idealmente in 15 punti di acquisizione della risposta all’eccitazione, equi-spaziati nelle 2 direzioni, X (lato lungo) e Y (lato corto).

Si utilizzò come eccitazione la tecnica di impatto, utilizzando un martello strumentato PCB, con cella di carico da 100 N/Volt nominale, mentre la risposta nei 15 punti venne acquisita con un accelerometro piezoelettrico ICP 303A3, della PCB, fissato, di volta in volta, tramite adesivo “Petro Wax” di PCB (“cera d’api” sintetica). Per ogni punto si eseguì una media su 5 colpi ritenuti validi.

L’accelerometro di risposta venne preventivamente calibrato rispetto a un accelerometro di riferimento PCB 302A07 (100 mV/G), tramite schaker B-K 4809, pilotato da amplificatore B-K 2706 con input sinusoidale a 160Hz (1000 rad/s) da generatore Pintek 3200, ad una accelerazione di 1 Grms, pari 1.41 picco-picco.

La calibrazione, le acquisizioni e le successive elaborazioni di analisi modale, vennero eseguite utilizzando un Computer Aided System “C.A.T. GenRad 2515” 8 canali, con software RTA 3.0, e per le analisi segnali ed acquisizioni dati, un programma “Modal Plus” (SDRC).

Venne eseguita una sessione di acquisizione sui 15 punti, utilizzando il punto di eccitazione “1Z-”. Le funzioni di trasferimento vennero memorizzate per la successiva analisi modale. Venne sempre valutata e visualizzata la funzione di coerenza, sempre prossima al valore 1 in corrispondenza dei picchi, indicando quindi il corretto trasferimento di energia tra eccitazione e risposta. Le funzioni furono visualizzate in grafici di Bode, completi dell’andamento della fase output/input. Il campo di frequenza selezionato fu di 0÷1000Hz, in cui risultarono presenti n.8 modi di vibrare, numero più che sufficiente ad identificare la risposta modale del pannello, da utilizzare come base di “accordatura” del modello FE corrispondente, con la determinazione delle costanti elastiche cercate.

Le funzioni di trasferimento ottenute per i 15 punti di risposta sul pannello furono trasferite all’interno del programma “Modal Plus” per l’analisi modale vera e propria detto pannello.

Data la buona qualità generale delle funzioni di trasferimento, ottenuta in questo caso, fu possibile procedere all’estrazione di 10 modi, molto ben definiti e classificabili, utilizzando la tecnica “Search Peak” (S.P. - che opera nel dominio della frequenza) nel range frequenza analizzato da 0 a 1000Hz (vedi Tabella 5).

Tabella 5 - Valori dei parametri modali estratti con tecnica “Search Peak”, nel dominio della frequenza, con riferimento alla funzione “11z+”

Mode Nr. Descrizione del modo Frequenza (Hz) Damping 1 1° Torsionale Asse X 135.5 0.0120 2 1° Flessionale Asse X 145.5 0.0091 3 2° Torsionale Asse X 310.5 0.0085 4 2° Flessionale Asse X 401.7 0.0053 5 1° Flessionale Asse Y 412.7 0.0071 6 2° Torsionale Asse Y 499.7 0.0057 7 3° Torsionale Asse Y 579.3 0.0068 8 3° Torsionale Asse X 707.1 0.0070 9 3° Flessionale Asse X 806.5 0.0064 10 4° Torsionale Asse X 957.4 0.0065 Le costanti elastiche calibrate del pannello a 4 strati, che maggiormente ridussero gli scostamenti sulle frequenze proprie calcolate rispetto a quelle sperimentali furono:

• modulo elastico in direzione X : Ex = 9400MPa

• modulo elastico in direzione Y: Ey = 9800MPa

• modulo di taglio intralaminare XY: Gxy = 3000MPa

• coefficiente di poisson: nuxy= 0.3

• % in volume di rinforzo: Vf = 9.7%

• % in peso di rinforzo: Pf = 15%

• Coefficiente di smorzamento: 0.7%

Lo scostamento medio sulle frequenze proprie calcolate rispetto a quelle sperimentali (Tabella 6), per i primi 10 modi di vibrare risultò non superiore al 1.4%, con ottima affidabilità quindi della valutazione delle caratteristiche elastiche.

Tabella 6 - Confronto tra i risultati dell'analisi modale sperimentale ed i risultati dell'analisi modale FE con valori calibrati delle caratteristiche elastiche dei materiali.

Modo Frequenza Frequenza Scostamento Descrizione del sperimentale numerica %

nr. modo

[Hz] [Hz]

1 135.5 136.30 0.59 1° torsionale sull'asse X

2 145.5 147.50 1.37 1° flessionale sull'asse X

3 310.5 314.20 1.19 2° torsionale sull'asse X

4 401.7 402.20 -0.12 2° flessionale sull'asse x

5 412.7 408.10 -1.11 1° flessionale sull'asse Y

6 499.7 502.70 0.60 2° torsionale sull'asse Y

7 579.3 583.70 0.76 3° torsionale sull'asse Y

8 707.1 702.10 -0.71 3° torsionale sull'asse X

9 806.5 816.70 1.26 3° flessionale sull'asse X

10 957.4 963.30 0.62 4° torsionale sull'asse X

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Materiale composito comprendente un feltro, in cui detto feltro è ottenuto attraverso le seguenti fasi di lavorazione: - Fase 1A - Taglio della fibra; - Fase 1B - Apertura delle fibre; - Fase 1C - Emulsione delle fibre; - Fase 1D - Aumento della adesività delle fibre; - Fase 1E - Aggiunta fibre ausiliari di supporto; - Fase 1F - Cardatura; - Fase 1G - Stratificazione dei veli; - Fase 1H - Saldatura dei veli; - Fase 1L – Ottenimento del feltro; in cui: - le fibre della Fase 1A sono scelte nel gruppo comprendente: fibra di carbonio, fibra di vetro, fibra ceramica, fibra aramidica, fibra di basalto; - le fibre ausiliari di supporto della Fase 1E: - sono scelte nel gruppo comprendente: fibre naturali, fibre organiche di poliestere (PES); fibre in poliesterechetone (PEEK); fibre inorganiche di vetro, metallo e/o aramidiche; e sono presenti in una dose dello 0,5-50%, preferibilmente 1-10%; molto preferibilmente 5% della composizione totale.
2. Procedimento di preparazione di un materiale composito comprendente le seguenti fasi di lavorazione: FASE 1 - Manifattura delle fibre; FASE 2 - Realizzazione dello stampo; FASE 3 - Preparazione dello stampo; FASE 4 - Taglio del materiale di rinforzo; FASE 5 - Stesura del materiale di rinforzo sullo stampo; FASE 6 – opzionale – Copertura dello stampo; FASE 7 – opzionale - Mantenimento del materiale di rinforzo in posizione sullo stampo; FASE 8 - Posa ausiliari di infusione; FASE 9 - Posa network di infusione; FASE 10 - Stesura sacco da vuoto; FASE 11 – Realizzazione del vuoto; FASE 12 – Infusione della resina; in cui detto procedimento di preparazione è caratterizzato dal fatto che: - le fibre ausiliari di supporto utilizzate durante la fase 1 sono scelte nel gruppo comprendente: fibre naturali quali il cotone o il lino; fibre organiche di poliestere (PES); fibre in poliesterechetone (PEEK); fibre inorganiche di vetro, metallo e/o aramidiche; - la fibre, al termine della fase 1, presentano una struttura filiforme avente un posizionamento del tutto casuale; - nella fase 10 la flangia perimetrale dello stampo ha una dimensione di almeno 150mm. - nella fase 11 il valore di depressione per la realizzazione del vuoto varia da 0,4 bar a 0,65 bar, molto preferibile è un valore di 0,55 bar; - nella fase 12 l’intervallo di temperatura entro il quale si può eseguire l’infusione va da 16°C ai 32°C; - il tempo di indurimento della resina utilizzata nella fase 12, varia da 6h a - nella fase 12 il tempo di infusione dipende dalla velocità di propagazione della resina, ed in cui detta velocità di propagazione è influenzata: - dalla temperatura ambientale; - dalla viscosità della resina; - dai materiali di rinforzo utilizzati; - dalla disposizione dei canali di infusione; - dall’l’entità della depressione e dalla complessità della superficie.
3. Procedimento della rivendicazione 2, in cui la resina utilizzata nella fase 12 è scelta nel gruppo comprendente: resina epossidica e/o resina epossivinilestere.
4. Procedimento della rivendicazione 2, in cui prima di iniziare l’infusione della fase 12, alla resina vengono aggiunti dei catalizzatori amminici.
5. Procedimento della rivendicazione 2, in cui prima di iniziare l’infusione della fase 12, alla resina vengono aggiunti degli additivi scelti nel gruppo comprendente: additivi acceleranti o ritardanti.
6. Procedimento della rivendicazione 2, in cui gli stampi sono realizzati in legno, tavole epossidiche, metallo, in materiale composito e/o loro leghe.
7. Procedimento della rivendicazione 2, in cui la fibra di carbonio della Fase 1, può essere sostituita da un materiale scelto nel gruppo comprendente: fibra di vetro, fibra ceramica, fibra aramidica, fibra di basalto.
8. Procedimento della rivendicazione 2, in cui il metodo di infusione è scelto nel gruppo comprendente: Resin Transfer Moulding, Vacuum Bag Infusion, Resin Film Infusion, Resin Liquid Infusion, Resin Injection between Double Flexible Tooling, Seeman’s Composite Resin Infusion Moulding Process e/o High Pressure Resin Transfer Moulding.
9. Uso del materiale composito, ottenuto con il procedimento di preparazione della rivendicazione 2, in ambito del trasporto automobilistico, ferroviario, navale, aereo; e in applicazioni industriali in cui sono richieste strutture leggere e resistenti.