IT201900009915A1 - COMPOSITE-METAL JOINT BASED ON ENGINEERED SURFACE AND RELEVANT MANUFACTURING METHOD - Google Patents
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Description
Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo: Description of the Industrial Invention entitled:
“GIUNZIONE COMPOSITO-METALLO BASATA SU SUPERFICIE INGEGNERIZZATA E RELATIVO METODO DI REALIZZAZIONE” "COMPOSITE-METAL JOINT BASED ON ENGINEERED SURFACE AND RELATIVE METHOD OF CONSTRUCTION"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda una giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici, in accordo con il preambolo della rivendicazione 1. In particolare, viene illustrata una giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici ed un metodo per realizzare tale giunzione. La giunzione, oggetto della presente invenzione, è utilizzabile in strutture complesse ottenute dall'assemblaggio di materiali diversi per esigenze funzionali e/o estetiche, come ad esempio nel settore aeronautico, spaziale, energetico (nei generatori eolici, pale di turbine), automobilistico (veicoli da competizione) e nel settore medicale. The present invention relates to a joint between fiber composite materials and metallic materials, in accordance with the preamble of claim 1. In particular, a joint between fiber composite materials and metallic materials and a method for making such a joint is illustrated. The joint, object of the present invention, can be used in complex structures obtained from the assembly of different materials for functional and / or aesthetic needs, such as for example in the aeronautical, space, energy (in wind generators, turbine blades), automotive ( racing vehicles) and in the medical sector.
Nelle attuali giunzioni, i materiali compositi e metallici vengono incollati mediante adesivi di vario tipo, a singolo o doppio componente, utilizzando o meno passaggi in forno a temperatura controllata. Per favorire l'adesione della resina nella giunzione inoltre si operano tecniche aggiuntive, come ad esempio abrasioni meccaniche delle superfici metalliche della giunzione, oppure si asporta meccanicamente l'ossido metallico superficiale della giunzione. Queste tecniche aggiuntive rendono più complesso ed inefficiente il processo di realizzazione di tali giunzioni. In current joints, composite and metal materials are glued using various types of single or double component adhesives, using or not passages in a controlled temperature oven. To facilitate the adhesion of the resin in the joint, additional techniques are also used, such as mechanical abrasion of the metal surfaces of the joint, or the surface metal oxide of the joint is mechanically removed. These additional techniques make the process of making these joints more complex and inefficient.
Le tecniche di incollaggio presentano una serie di inconvenienti qui di seguito illustrati. The gluing techniques have a series of drawbacks illustrated below.
Un primo inconveniente è dovuto alle limitate proprietà meccaniche di adesione dell'adesivo che di conseguenza comportano limitate proprietà meccaniche, come ad esempio elasticità e resistenza alle sollecitazioni della giunzione. A first drawback is due to the limited mechanical properties of adhesion of the adhesive which consequently entail limited mechanical properties, such as elasticity and resistance to the stresses of the joint.
Un’altra problematica è dovuta alla differente dilatazione termica fra i due materiali della giunzione che, in caso di riscaldamento, sono in grado di provocare insorgenza di tensioni residue all'interfaccia della giunzione incollata e quindi di produrre il cedimento dell'adesivo. Another problem is due to the different thermal expansion between the two materials of the joint which, in case of heating, are able to cause residual stresses at the interface of the bonded joint and therefore to produce the failure of the adhesive.
Un’ulteriore problematica è dovuta all’invecchiamento dell’adesivo in seguito all’usura meccanica dello stesso, rendendo la giunzione meno durevole e meno affidabile. A further problem is due to the aging of the adhesive as a result of its mechanical wear, making the joint less durable and less reliable.
Un altro inconveniente è dovuto all’influenza delle radiazioni UV che contribuiscono a deteriorare l’adesivo e a ridurne le prestazioni, rendendo la giunzione meno affidabile. Another drawback is due to the influence of UV radiation which contribute to deteriorate the adhesive and reduce its performance, making the joint less reliable.
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di risolvere questi ed altri problemi dell’arte nota, in particolare di indicare una giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici senza utilizzare adesivi tra i due materiali. The purpose of the present invention is therefore to solve these and other problems of the known art, in particular to indicate a junction between fiber composite materials and metal materials without using adhesives between the two materials.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare una giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici con elevata resistenza alle sollecitazioni meccaniche dovute, ad esempio, alla presenza di carichi statici e ciclici. A further object of the present invention is to indicate a junction between fiber composite materials and metallic materials with high resistance to mechanical stresses due, for example, to the presence of static and cyclic loads.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di indicare una giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici in grado di distribuire eventuali tensioni residue di dilatazione termica in modo molto più efficiente. Another object of the present invention is to indicate a junction between fiber composite materials and metallic materials capable of distributing any residual thermal expansion stresses in a much more efficient way.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di indicare una giunzione con elevata affidabilità fra materiali compositi a fibra e materiali metallici. Another object of the present invention is to indicate a junction with high reliability between fiber composite materials and metallic materials.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare una giunzione resistente alle radiazioni UV fra materiali compositi a fibra e materiali metallici. A further object of the present invention is to indicate a UV radiation resistant junction between fiber composite materials and metallic materials.
Gli scopi sopra indicati si applicano parimenti ad un metodo per realizzare una giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici. The objects indicated above apply equally to a method for making a joint between fiber composite materials and metallic materials.
L’invenzione descritta consiste in una giunzione comprendente materiali compositi a fibra lunga o corta e materiali metallici, e relativo metodo di realizzazione di detta giunzione. The invention described consists of a joint comprising long or short fiber composite materials and metallic materials, and related method of making said joint.
Un materiale composito a fibra ed un materiale metallico sono connessi a livello della loro struttura interna mediante una opportuna geometria della superficie metallica, realizzabile attraverso processi di manifattura additiva, come ad esempio da microfusione di letto di polvere. La presente invenzione consente di ottenere una giunzione ad elevata resistenza meccanica e prolungata affidabilità fra i due materiali. Si sfrutta inoltre la presenza di una atmosfera controllata ed inerte, tipica dei processi di manifattura additiva metallici, per prevenire l'ossidazione superficiale del metallo ottenendo una giunzione migliorata. A fiber composite material and a metal material are connected at the level of their internal structure by means of a suitable geometry of the metal surface, which can be achieved through additive manufacturing processes, such as for example by casting a powder bed. The present invention allows to obtain a joint with high mechanical strength and prolonged reliability between the two materials. The presence of a controlled and inert atmosphere, typical of metal additive manufacturing processes, is also exploited to prevent surface oxidation of the metal, obtaining an improved joint.
Una tecnica per la realizzazione di materiali compositi, che non impiega adesivi, viene discussa ad esempio nel documento “A HYBRID METAL-TO-COMPOSITE JOINT FABRICATED THROUGH ADDITIVE MANUFACTURING PROCESSES” di Thomas J. Whitney e collaboratori, presentato presso IMECE2012 (International Mechanical Engineering Congress & Exposition), il 9-15 Novembre 2012 ad Houston, Texas (USA). A technique for the production of composite materials, which does not use adhesives, is discussed for example in the document "A HYBRID METAL-TO-COMPOSITE JOINT FABRICATED THROUGH ADDITIVE MANUFACTURING PROCESSES" by Thomas J. Whitney and collaborators, presented at IMECE2012 (International Mechanical Engineering Congress & Exposition), November 9-15, 2012 in Houston, Texas (USA).
Tale documento illustra l’applicazione della tecnologia additiva per la microfusione di metallo, come titanio, su un substrato di fibre di carbonio, in modo da ottenere un materiale composito. This document illustrates the application of additive technology for the casting of metal, such as titanium, on a substrate of carbon fibers, in order to obtain a composite material.
La soluzione tecnica proposta da detto documento non descrive una giunzione fra materiali compositi e materiali metallici, in quanto tipicamente i processi additivi da microfusione di polveri hanno specifiche di processo molto stringenti che non consentono il loro abbinamento con altre tecnologie, come ad esempio quella dei materiali compositi. Pertanto, in genere, risulta essere molto difficoltoso realizzare giunzioni fra materiali compositi e metalli senza l'impiego di adesivi. The technical solution proposed by said document does not describe a junction between composite materials and metallic materials, as typically the additive processes from precision casting of powders have very stringent process specifications that do not allow their combination with other technologies, such as that of materials composites. Therefore, in general, it is very difficult to make joints between composite materials and metals without the use of adhesives.
Ulteriori caratteristiche vantaggiose della presente invenzione sono oggetto delle unite rivendicazioni che formano parte integrante della presente descrizione. Further advantageous features of the present invention are the subject of the attached claims which form an integral part of the present description.
L’invenzione verrà di seguito descritta dettagliatamente attraverso esempi di realizzazione non limitanti con particolare riferimento alle figure allegate, in cui: The invention will be described in detail below through non-limiting embodiments with particular reference to the attached figures, in which:
- le Figure 1a e 1b rappresentano schematicamente la struttura di alcuni materiali compositi a fibra utilizzabili in una giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; Figures 1a and 1b schematically show the structure of some fiber composite materials usable in a junction between fiber composite materials and metal materials according to an embodiment of the present invention;
- la Figura 2 rappresenta schematicamente una giunzione fra un materiale composito a fibra di Figura 1 ed un materiale metallico secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 2 schematically represents a junction between a fiber composite material of Figure 1 and a metallic material according to an embodiment of the present invention;
- la Figura 3 rappresenta un diagramma di flusso esemplificativo di un metodo per la produzione della giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici di Figura 2; Figure 3 represents an exemplary flow chart of a method for producing the junction between fiber composite materials and metallic materials of Figure 2;
- la Figura 4 esemplifica schematicamente una struttura comprendente almeno una giunzione fra un materiale composito a fibra ed un materiale metallico secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Figure 4 schematically exemplifies a structure comprising at least one joint between a fiber composite material and a metallic material according to an embodiment of the present invention.
Con riferimento alla Figura 1, un materiale composito è caratterizzato dalla presenza di almeno due costituenti (o fasi), ovvero una fase continua (o matrice) ed una fase dispersa (rinforzo o apporto). In genere, la matrice è costituita da un materiale continuo ed omogeneo, che ha la funzione di racchiudere il rinforzo, in modo da garantire la coesione del materiale composito e di garantire che le particelle, o le fibre, di rinforzo presentino la giusta dispersione all'interno del composito e non si abbia segregazione. La matrice può essere ad esempio un composto a base polimerica (Nylon, resine epossidiche) oppure può essere un composto a base metallica (alluminio, titanio), a base di carbonio (grafitico o amorfo) o a base ceramica (allumina). Il rinforzo viene disperso attraverso varie tecniche all'interno della matrice ed ha il compito di assicurare rigidezza e resistenza meccanica del materiale composito, assumendo su di sé la maggior parte del carico esterno. Il rinforzo può essere realizzato da particelle, fibre o strutture laminari (pannelli, sandwich). I rinforzi con fibre possono essere a fibre lunghe o corte, le fibre possono essere costituite da vetro, carbonio (grafitico o amorfo), ceramiche (allumina) e fibre Aramidiche (Kevlar). Le fibre possono essere tra loro intrecciate in modo da realizzare una struttura bidimensionale più o meno estesa all’interno della matrice, come ad esempio un tessuto realizzato con fibre di carbonio. With reference to Figure 1, a composite material is characterized by the presence of at least two constituents (or phases), namely a continuous phase (or matrix) and a dispersed phase (reinforcement or filler). Generally, the matrix is made up of a continuous and homogeneous material, which has the function of enclosing the reinforcement, in order to guarantee the cohesion of the composite material and to ensure that the reinforcing particles, or fibers, have the right dispersion at the inside the composite and there is no segregation. The matrix can be, for example, a polymer-based compound (Nylon, epoxy resins) or it can be a metal-based (aluminum, titanium), carbon-based (graphitic or amorphous) or ceramic-based (alumina) compound. The reinforcement is dispersed through various techniques inside the matrix and has the task of ensuring the rigidity and mechanical resistance of the composite material, taking on itself most of the external load. The reinforcement can be made from particles, fibers or laminar structures (panels, sandwiches). The reinforcements with fibers can be long or short fibers, the fibers can be made up of glass, carbon (graphitic or amorphous), ceramics (alumina) and Aramid fibers (Kevlar). The fibers can be intertwined to create a more or less extended two-dimensional structure within the matrix, such as a fabric made with carbon fibers.
La Figura 1a rappresenta schematicamente un materiale composito a fibra lunga 140 utilizzabile in una giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Fibre lunghe 120 sono disposte in modo ordinato secondo una o più direzioni in una matrice 110, per cui le caratteristiche meccaniche macroscopiche del materiale composito a fibra lunga 140 sono globalmente anisotrope. La Figura 1b rappresenta schematicamente un materiale composito a fibra corta 150 utilizzabile in una giunzione fra materiali compositi e materiali metallici, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Fibre corte 130 sono disposte in modo disordinato nella matrice 110, per cui le caratteristiche meccaniche macroscopiche del materiale composito a fibra corta 150 sono globalmente isotrope. Alternativamente, le fibre corte 130 possono essere disposte in modo ordinato lungo una o più direzioni nella matrice 110, in tal caso le caratteristiche meccaniche macroscopiche del materiale composito a fibra corta 150 sono globalmente anisotrope. Figure 1a schematically represents a long fiber composite material 140 usable in a junction between fiber composite materials and metallic materials, according to an embodiment of the present invention. Long fibers 120 are arranged in an orderly manner in one or more directions in a matrix 110, so that the macroscopic mechanical characteristics of the long fiber composite material 140 are globally anisotropic. Figure 1b schematically represents a short fiber composite material 150 usable in a junction between composite materials and metallic materials, according to an embodiment of the present invention. Short fibers 130 are arranged in a disordered manner in the matrix 110, so that the macroscopic mechanical characteristics of the short fiber composite material 150 are globally isotropic. Alternatively, the short fibers 130 can be arranged in an orderly manner along one or more directions in the matrix 110, in which case the macroscopic mechanical characteristics of the short fiber composite material 150 are globally anisotropic.
La Figura 2 rappresenta schematicamente una giunzione 200 fra il materiale composito a fibra lunga 140 ed un materiale metallico 210, come ad esempio leghe di alluminio, titanio, acciai e leghe a base Nickel, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Come descritto precedentemente, il materiale composito a fibra lunga 140 comprende le fibre lunghe 120, che sono disposte in modo ordinato secondo una o più direzioni nella matrice 110. Figure 2 schematically represents a junction 200 between the long fiber composite material 140 and a metallic material 210, such as aluminum alloys, titanium, steels and nickel based alloys, according to an embodiment of the present invention. As described above, the long fiber composite material 140 comprises the long fibers 120, which are arranged in an orderly manner in one or more directions in the matrix 110.
La presente invenzione si basa sulla ingegnerizzazione di almeno una superficie di interfaccia 215 del materiale metallico 210 a contatto con il materiale composito a fibra, come ad esempio il materiale composito a fibra lunga 140. La superficie di interfaccia 215 viene progettata e realizzata mediante processi di fabbricazione additiva. Fra questi si cita in modo esemplificativo, e non esaustivo, la tecnologia a microfusione di polveri metalliche. I processi di microfusione di polveri si basano sulla concentrazione localizzata di una fonte di calore, come ad esempio LASER o a fasci di elettroni, in grado di produrre un cambio di stato del metallo con elevato grado di dettaglio dimensionale. La polvere metallica di partenza subisce un processo di fusione e successiva solidificazione secondo strati successivi e sovrapposti, fino all'ottenimento della geometria finale desiderata. Appositi impianti attualmente in commercio sono in grado di gestire l'intero processo a partire dall'approvvigionamento di polvere, alla movimentazione di tale polvere, alla regolazione dell'atmosfera controllata, alla regolazione della sorgente termica ed alla movimentazione della giunzione 200 in corso di realizzazione. Le tecnologie di microfusione di polvere sono indirizzate a materiali metallici, tipicamente leghe di alluminio, titanio, acciai e leghe a base Nickel. La loro diffusione è incrementata nell'ultimo decennio grazie allo sviluppo della filiera legata alla manifattura additiva comprendente sistemi di progettazione dedicati, come ad esempio software per l'ottimizzazione topologica e l'attrezzaggio dell’impianto, affinamento delle tecniche di produzione e controllo delle polveri, stabilizzazione dei processi e delle macchine dell’impianto, messa a punto dei trattamenti termici postproduzione e sensibilizzazione crescente degli utilizzatori finali alla nuova tecnologia. Fra i vantaggi principali associati a componenti ottenuti da microfusione di polveri è la complessità geometrica (freeform) a fronte di ridotte o inesistenti complicazioni del processo di produzione della giunzione 200. Questa caratteristica risponde ad esigenze di alleggerimento, controllo locale delle tensioni, controllo locale della refrigerazione forzata, aumento della versatilità di stampi e prototipi. I processi menzionati si svolgono in presenza di atmosfera inerte comprendente ad esempio argon o altri gas, per prevenire l'ossidazione della polvere durante le fasi di microfusione. Il processo avviene in camere stagne con insufflazione di gas. The present invention is based on the engineering of at least one interface surface 215 of the metallic material 210 in contact with the fiber composite material, such as the long fiber composite material 140. The interface surface 215 is designed and manufactured by means of processes of additive manufacturing. Among these we cite, by way of example, and not exhaustively, the technology of precision casting of metal powders. The precision casting processes of powders are based on the localized concentration of a heat source, such as LASER or electron beams, capable of producing a change of state of the metal with a high degree of dimensional detail. The starting metal powder undergoes a process of fusion and subsequent solidification according to successive and superimposed layers, until the desired final geometry is obtained. Appropriate systems currently on the market are able to manage the entire process starting from the supply of powder, to the movement of this powder, to the regulation of the controlled atmosphere, to the regulation of the thermal source and to the movement of the junction 200 under construction. . Powder casting technologies are aimed at metallic materials, typically aluminum alloys, titanium, steels and nickel-based alloys. Their diffusion has increased in the last decade thanks to the development of the supply chain linked to additive manufacturing including dedicated design systems, such as software for topological optimization and plant equipment, refinement of production techniques and dust control. , stabilization of plant processes and machines, fine-tuning of post-production heat treatments and growing awareness of end users about the new technology. Among the main advantages associated with components obtained from precision casting of powders is the geometric complexity (freeform) in the face of reduced or non-existent complications of the production process of the junction 200. This characteristic meets the needs of lightening, local control of stresses, local control of the forced refrigeration, increase in the versatility of molds and prototypes. The aforementioned processes take place in the presence of an inert atmosphere including, for example, argon or other gases, to prevent oxidation of the powder during the casting phases. The process takes place in sealed chambers with gas insufflation.
La superficie di interfaccia 215 comprende almeno un mezzo di ancoraggio 220 atto a ricevere almeno una fibra di un materiale composito, come ad esempio la fibra lunga 120 del materiale composito a fibra lunga 140. The interface surface 215 comprises at least one anchoring means 220 adapted to receive at least one fiber of a composite material, such as for example the long fiber 120 of the long fiber composite material 140.
Detto almeno un mezzo di ancoraggio è realizzato mediante un processo di accrescimento derivante da tecniche di fabbricazione additiva, come ad esempio la tecnologia a microfusione di polveri metalliche. Per tale processo di accrescimento, la polvere metallica di partenza subisce un processo di fusione e successiva solidificazione secondo strati successivi e sovrapposti, fino all'ottenimento della geometria finale desiderata della superficie di interfaccia 215. Said at least one anchoring means is made by means of a growth process deriving from additive manufacturing techniques, such as for example the micro-casting technology of metal powders. For this growth process, the starting metal powder undergoes a process of fusion and subsequent solidification according to successive and superimposed layers, until the desired final geometry of the interface surface 215 is obtained.
Detto mezzo di ancoraggio 220 può comprendere almeno una struttura cava (o cella) che può comprendere almeno una struttura a forma di uncino o ad anello e/o comprendere uno o più elementi sporgenti o a sbalzo e/o comprendere almeno una intercapedine e/o almeno una cavità. Detta almeno una struttura cava può essere di dimensioni variabili a seconda dalle dimensioni delle fibre di un materiale composito, come ad esempio la fibra lunga 120 del materiale composito a fibra lunga 140. Una struttura cava non sporgente alla superficie di interfaccia 215, come ad esempio una cavità o una intercapedine, può essere ad esempio realizzata tramite detto processo di accrescimento, derivante da tecniche di fabbricazione additiva, effettuato prima di realizzare una struttura cava sporgente alla superficie di interfaccia 215, come ad esempio una struttura a forma di uncino. Said anchoring means 220 may comprise at least one hollow structure (or cell) which may comprise at least one hook-shaped or ring-shaped structure and / or comprise one or more protruding or cantilevered elements and / or comprise at least one cavity and / or at least a cavity. Said at least one hollow structure can be of variable dimensions depending on the dimensions of the fibers of a composite material, such as for example the long fiber 120 of the long fiber composite material 140. A hollow structure not protruding from the interface surface 215, such as for example a cavity or a cavity can be made for example by means of said growth process, deriving from additive manufacturing techniques, carried out before making a hollow structure protruding from the interface surface 215, such as for example a hook-shaped structure.
Detto mezzo di ancoraggio 220 è atto a ricevere al suo interno una o più fibre di un materiale composito della giunzione, come ad esempio le fibre lunghe 120 del materiale composito a fibra lunga 140 della giunzione 200, così da rendere una o più fibre meccanicamente solidali al mezzo di ancoraggio 220. Uno o più mezzi di ancoraggio 220 possono essere disposti in modo ripetitivo o periodico sulla superficie di interfaccia 215 fino a coprire totalmente o in parte la superficie stessa. Said anchoring means 220 is able to receive inside it one or more fibers of a composite material of the joint, such as for example the long fibers 120 of the long fiber composite material 140 of the joint 200, so as to make one or more fibers mechanically integral. to the anchoring means 220. One or more anchoring means 220 can be arranged repetitively or periodically on the interface surface 215 until it totally or partially covers the surface itself.
In un’altra forma di realizzazione dell’invenzione, il mezzo di ancoraggio 220 può ricevere una o più fibre di un materiale composito, come ad esempio le fibre corte 130 del materiale composito a fibra corta 150. In tale forma di realizzazione dell’invenzione, uno o più mezzi di ancoraggio 220 possono essere disposti in modo aperiodico sulla superficie di interfaccia 215 fino a coprire totalmente o in parte la superficie stessa. Alternativamente, nel caso in cui le fibre corte 130 fossero disposte in modo ordinato lungo una o più direzioni nella matrice 110, uno o più mezzi di ancoraggio 220 possono essere disposti in modo periodico su detta superficie di interfaccia 215. In another embodiment of the invention, the anchoring means 220 can receive one or more fibers of a composite material, such as the short fibers 130 of the short fiber composite material 150. In this embodiment of the invention , one or more anchoring means 220 can be arranged aperiodically on the interface surface 215 until it totally or partially covers the surface itself. Alternatively, if the short fibers 130 are arranged in an orderly manner along one or more directions in the matrix 110, one or more anchoring means 220 can be periodically arranged on said interface surface 215.
In una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione, uno o più mezzi di ancoraggio 220 possono essere disposti in modo periodico o aperiodico in base al tipo di fibre, corte o lunghe, orientate o non orientate, comprese in un materiale composito di una giunzione oggetto della presente invenzione. In a further embodiment of the invention, one or more anchoring means 220 can be arranged periodically or aperiodically according to the type of fibers, short or long, oriented or non-oriented, comprised in a composite material of an object junction of the present invention.
In un’altra forma di realizzazione dell’invenzione, almeno un mezzo di ancoraggio 220 può essere di forma differente rispetto ad un ulteriore mezzo di ancoraggio 220 in base al tipo di fibre, corte o lunghe, orientate o non orientate. Detto almeno un mezzo di ancoraggio 220 può essere disposto secondo uno schema predefinito sulla superficie di interfaccia 215, fino a coprire totalmente o in parte la superficie stessa. Detto schema predefinito può essere determinato in base alla tipologia di un materiale composito a fibra della giunzione 200. In another embodiment of the invention, at least one anchoring means 220 can be of a different shape than a further anchoring means 220 based on the type of fibers, short or long, oriented or non-oriented. Said at least one anchoring means 220 can be arranged according to a predefined pattern on the interface surface 215, until it totally or partially covers the surface itself. Said predefined scheme can be determined on the basis of the type of fiber composite material of the junction 200.
In una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione, detto almeno un mezzo di ancoraggio 220 può ricevere gruppi di fibre corte o lunghe, orientate o non orientate. Detti gruppi di fibre possono essere ad esempio fasci di fibre o intrecci di fibre oppure un tessuto bidimensionale di fibre. In a further embodiment of the invention, said at least one anchoring means 220 can receive groups of short or long fibers, oriented or non-oriented. Said groups of fibers can be, for example, bundles of fibers or weaves of fibers or a two-dimensional fabric of fibers.
La presente invenzione è utilizzabile in strutture comprendenti almeno una giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici, come ad esempio la giunzione 200. Queste strutture possono essere ottenute dall'assemblaggio di materiali diversi per esigenze funzionali e/o estetiche, come ad esempio nel settore aeronautico, spaziale, energetico (nei generatori eolici, pale di turbine), automobilistico (veicoli da competizione) e nel settore medicale. Con riferimento alla Figura 4, viene descritta una struttura 400 comprendente almeno una giunzione 200 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Detta struttura 400 può essere ad esempio un pannello sandwich costituito da pareti in materiale composito a fibra 410 ed una anima 420 in materiali differenti come ad esempio schiume, polimeri, strutture alveolari e così via. Detta struttura 400 può comprendere ad esempio un inserto metallico 405. In questa forma realizzativa, la presente invenzione si applica alle superfici dell’inserto metallico 405 a contatto con il materiale composito a fibra 410 della struttura 400, ovvero nella zona di interfaccia dell’inserto metallico 405. In corrispondenza di questa interfaccia sono realizzate le giunzioni secondo la presente invenzione, come ad esempio la giunzione 200. The present invention can be used in structures comprising at least one joint between fiber composite materials and metallic materials, such as the joint 200. These structures can be obtained by assembling different materials for functional and / or aesthetic needs, such as for example in the aeronautics, space, energy (in wind generators, turbine blades), automotive (racing vehicles) and in the medical sector. With reference to Figure 4, a structure 400 is described comprising at least one junction 200 according to an embodiment of the present invention. Said structure 400 can be for example a sandwich panel consisting of walls in composite fiber material 410 and a core 420 in different materials such as foams, polymers, honeycomb structures and so on. Said structure 400 can comprise, for example, a metal insert 405. In this embodiment, the present invention is applied to the surfaces of the metal insert 405 in contact with the composite fiber material 410 of the structure 400, i.e. in the interface area of the insert metal 405. The junctions according to the present invention, such as the junction 200, are made at this interface.
Con riferimento alla Figura 3, viene descritto un metodo esemplificativo per la produzione della giunzione 200 fra materiali compositi a fibra e materiali metallici secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. With reference to Figure 3, an exemplary method for producing the junction 200 between fiber composite materials and metallic materials according to an embodiment of the present invention is described.
Al passo 310, viene realizzata una fase di inizializzazione, in cui si inizializza un impianto di produzione della giunzione 200, ad esempio l’impianto viene rifornito con le polveri metalliche per la realizzazione di detta pluralità di mezzi di ancoraggio. In questa fase, e nelle fasi successive, il volume in cui viene prodotta la giunzione 200 è riempito con una atmosfera inerte, comprendente ad esempio un gas come l’argon, in modo da preservare la superficie di interfaccia 215 e detto almeno un mezzo di ancoraggio da processi di ossidazione. At step 310, an initialization phase is carried out, in which a production plant of the junction 200 is initialized, for example the plant is supplied with the metal powders for the realization of said plurality of anchoring means. In this phase, and in the subsequent phases, the volume in which the junction 200 is produced is filled with an inert atmosphere, including for example a gas such as argon, so as to preserve the interface surface 215 and said at least one means of anchoring from oxidation processes.
Al passo 320, viene realizzata una fase di primo accrescimento in cui un primo strato di fibre, come ad esempio uno strato comprendente le fibre lunghe 120, viene posizionato sulla superficie di interfaccia 215 comprendente detto ameno un mezzo di ancoraggio, in modo tale che detto almeno un mezzo di ancoraggio 220 è atto a ricevere almeno una o più fibre, come ad esempio le fibre lunghe 120, di detto primo strato di fibre. In questo modo una o più fibre, come ad esempio dette fibre lunghe 120, sono meccanicamente solidali al mezzo di ancoraggio 220. At step 320, a first growth step is carried out in which a first layer of fibers, such as for example a layer comprising the long fibers 120, is positioned on the interface surface 215 comprising said at least one anchoring means, so that said at least one anchoring means 220 is adapted to receive at least one or more fibers, such as for example the long fibers 120, of said first layer of fibers. In this way one or more fibers, such as for example said long fibers 120, are mechanically integral with the anchoring means 220.
Detto almeno un mezzo di ancoraggio è realizzato mediante un processo di accrescimento derivante da tecniche di fabbricazione additiva, come ad esempio la tecnologia a microfusione di polveri metalliche. Said at least one anchoring means is made by means of a growth process deriving from additive manufacturing techniques, such as for example the micro-casting technology of metal powders.
Durante detto processo di accrescimento, detto almeno un mezzo di ancoraggio 220 è realizzato in modo da comprendere almeno una struttura cava (o cella) che può comprendere almeno una struttura a forma di uncino o ad anello e/o comprendere uno o più elementi sporgenti o a sbalzo e/o comprendere almeno una intercapedine e/o almeno una cavità. Detta almeno una struttura cava può essere di dimensioni variabili a seconda dalle dimensioni delle fibre di un materiale composito, come ad esempio la fibra lunga 120 del materiale composito a fibra lunga 140. Una struttura cava non sporgente alla superficie di interfaccia 215, come ad esempio una cavità o una intercapedine, può essere ad esempio realizzata tramite detto processo di accrescimento, derivante da tecniche di fabbricazione additiva, effettuato prima di realizzare una struttura cava sporgente alla superficie di interfaccia 215, come ad esempio una struttura a forma di uncino. During said growth process, said at least one anchoring means 220 is made in such a way as to comprise at least one hollow structure (or cell) which can comprise at least one hook-shaped or ring-shaped structure and / or comprise one or more protruding elements or overhang and / or comprise at least one interspace and / or at least one cavity. Said at least one hollow structure can be of variable dimensions depending on the dimensions of the fibers of a composite material, such as for example the long fiber 120 of the long fiber composite material 140. A hollow structure not protruding from the interface surface 215, such as for example a cavity or a cavity can be made for example by means of said growth process, deriving from additive manufacturing techniques, carried out before making a hollow structure protruding from the interface surface 215, such as for example a hook-shaped structure.
In questo modo, il mezzo di ancoraggio 220 è atto a ricevere al suo interno una o più fibre di un materiale composito della giunzione, come ad esempio le fibre lunghe 120 del materiale composito a fibra lunga 140 della giunzione 200, così da rendere una o più fibre meccanicamente solidali al mezzo di ancoraggio 220. Durante detto processo di accrescimento, uno o più mezzi di ancoraggio 220 possono essere disposti in modo ripetitivo o periodico sulla superficie di interfaccia 215 fino a coprire totalmente o in parte la superficie stessa. In un’altra forma di realizzazione dell’invenzione, durante detto processo di accrescimento, uno o più mezzi di ancoraggio 220 possono essere realizzati di forma differente rispetto ad un ulteriore mezzo di ancoraggio 220 in base al tipo di fibre, corte o lunghe, orientate o non orientate. Detto almeno un mezzo di ancoraggio 220 può essere disposto secondo uno schema predefinito sulla superficie di interfaccia 215, fino a coprire totalmente o in parte la superficie stessa. Detto schema predefinito può essere determinato in base alla tipologia di un materiale composito a fibra della giunzione 200. In this way, the anchoring means 220 is able to receive inside it one or more fibers of a composite material of the joint, such as for example the long fibers 120 of the long fiber composite material 140 of the joint 200, so as to make one or more a plurality of fibers mechanically integral with the anchoring means 220. During said growth process, one or more anchoring means 220 can be arranged repetitively or periodically on the interface surface 215 until it totally or partially covers the surface itself. In another embodiment of the invention, during said growth process, one or more anchoring means 220 can be made of a different shape with respect to a further anchoring means 220 according to the type of fibers, short or long, oriented or not oriented. Said at least one anchoring means 220 can be arranged according to a predefined pattern on the interface surface 215, until it totally or partially covers the surface itself. Said predefined scheme can be determined on the basis of the type of fiber composite material of the junction 200.
In un’altra forma di realizzazione dell’invenzione, detto primo strato di fibre viene posizionato sulla superficie di interfaccia 215 prima di attuare detto processo di accrescimento per realizzare detta pluralità di mezzi di ancoraggio. In questo caso, detto almeno un mezzo di ancoraggio 220 di è atto a ricevere almeno una o più fibre, come ad esempio le fibre lunghe 120, di detto primo strato di fibre. In another embodiment of the invention, said first layer of fibers is positioned on the interface surface 215 before carrying out said growth process to achieve said plurality of anchoring means. In this case, said at least one anchoring means 220 is adapted to receive at least one or more fibers, such as for example the long fibers 120, of said first layer of fibers.
Durante la fase di primo accrescimento, dopo aver ricevere il primo strato di fibre, come descritto in precedenza, si procede a depositare un primo strato di matrice, ad esempio una matrice polimerica liquida, in modo tale che possa inglobare sia dette fibre sia detta pluralità di mezzi di ancoraggio. In questo modo si viene a formare un primo strato di fibre e matrice a contatto con un materiale metallico, come ad esempio il materiale metallico 210. Durante la fase di primo accrescimento, detto mezzo di ancoraggio 220 è atto a ricevere la matrice di detto primo strato di matrice, nel caso in cui non abbia ricevuto almeno una fibra di detto primo strato di fibre, in modo da favorire l’adesione tra detto primo strato di fibre e matrice a contatto con un materiale metallico. During the first growth phase, after receiving the first layer of fibers, as described above, a first layer of matrix is deposited, for example a liquid polymeric matrix, so that it can incorporate both said fibers and said plurality of anchoring means. In this way, a first layer of fibers and matrix is formed in contact with a metal material, such as the metal material 210. During the first growth phase, said anchoring means 220 is able to receive the matrix of said first matrix layer, if it has not received at least one fiber of said first fiber layer, so as to favor the adhesion between said first fiber layer and matrix in contact with a metallic material.
In una forma di realizzazione dell’invenzione, al posto di fibre e matrice in forma separata è possibile utilizzare appositi componenti, denominati preimpregnati, per realizzare un materiale composito, come ad esempio il materiale composito a fibra lunga 140. In one embodiment of the invention, instead of fibers and matrix in separate form, it is possible to use special components, called prepregs, to make a composite material, such as the composite material with long fiber 140.
Al passo 330, viene realizzata una fase di secondo accrescimento in cui almeno un ulteriore strato di fibre e matrice viene depositato sul primo strato di fibre e matrice, descritto al passo precedente, in modo da ottenere un assemblato comprendente detto primo strato di fibre e matrice ed almeno un ulteriore strato di fibre e matrice. At step 330, a second growth step is carried out in which at least one further layer of fibers and matrix is deposited on the first layer of fibers and matrix, described in the previous step, so as to obtain an assembly comprising said first layer of fibers and matrix and at least one further layer of fibers and matrix.
Al passo 340, viene realizzata una fase di indurimento in cui detto assemblato, ottenuto al passo precedente, viene sottoposto a processo di indurimento della matrice di detto primo strato di fibre e matrice ed almeno un ulteriore strato di fibre e matrice, ad esempio mediante processi di riscaldamento termico e/o di pressatura e così via. At step 340, a hardening step is carried out in which said assembly, obtained in the previous step, is subjected to a hardening process of the matrix of said first layer of fibers and matrix and at least one further layer of fibers and matrix, for example by means of processes heating and / or pressing and so on.
Al passo 340, viene realizzata una fase di finalizzazione, in cui l’impianto di produzione della giunzione 200 raggiunge uno stato di riposo. Durante questa fase è possibile effettuare un controllo di qualità della giunzione 200 ottenuta attraverso i passi precedenti. At step 340, a finalization phase is carried out, in which the production plant of the junction 200 reaches a state of rest. During this phase it is possible to carry out a quality control of the junction 200 obtained through the previous steps.
Dalla descrizione effettuata risultano dunque evidenti i vantaggi della presente invenzione. From the above description the advantages of the present invention are therefore evident.
Il metodo secondo la presente invenzione consente vantaggiosamente di realizzare la giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici, descritta nella presente invenzione, avente vantaggiosamente una modalità di integrazione fra i materiali compositi a fibra ed i materiali metallici di tipo strutturale, senza l’utilizzo di adesivi, rispetto alla soluzione con incollaggio attualmente praticata. The method according to the present invention advantageously allows to realize the junction between fiber composite materials and metallic materials, described in the present invention, advantageously having an integration method between fiber composite materials and structural metallic materials, without using of adhesives, compared to the solution with gluing currently practiced.
La giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici, descritta nella presente invenzione, presenta vantaggiosamente una elevata resistenza alle sollecitazioni meccaniche attraverso interazione diretta fra le fibre del materiale composito ed il materiale metallico mediante almeno una superficie di interfaccia fra i materiali compositi a fibra ed i materiali metallici. La superficie di interfaccia è appositamente ingegnerizzata e può comprendere vantaggiosamente strutture cave (o celle), come ad esempio uncini o anelli o elementi simili, entro cui sono ricevute una o più fibre del composito. The junction between fiber composite materials and metallic materials, described in the present invention, advantageously has a high resistance to mechanical stresses through direct interaction between the fibers of the composite material and the metallic material by means of at least one interface surface between the fiber composite materials and metallic materials. The interface surface is specially engineered and can advantageously comprise hollow structures (or cells), such as for example hooks or rings or similar elements, within which one or more fibers of the composite are received.
La giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici, descritta nella presente invenzione, consente vantaggiosamente di distribuire eventuali tensioni residue di dilatazione termica in modo molto più efficiente, in quanto le fibre e le strutture delle celle realizzano un collegamento meccanico solido e inscindibile, di gran lunga più robusto e affidabile di un collegamento incollato. The junction between fiber composite materials and metal materials, described in the present invention, advantageously allows any residual thermal expansion stresses to be distributed much more efficiently, since the fibers and the cell structures create a solid and inseparable mechanical connection, of far more robust and reliable than a bonded connection.
Un altro vantaggio della giunzione fra materiali compositi a fibra e materiali metallici, descritta nella presente invenzione, è una elevata affidabilità, sfruttando vantaggiosamente l’atmosfera inerte del processo di microfusione di polvere per impedire l'ossidazione superficiale del metallo durante la realizzazione della parte metallica e la creazione della giunzione. L'ossidazione superficiale infatti è causa di maggiore fragilità dello strato di adesione chimico fra i materiali: ciò comporta nelle soluzioni attuali di dover svantaggiosamente eliminare il materiale ossidato mediante abrasioni o molature. Another advantage of the junction between fiber composite materials and metal materials, described in the present invention, is a high reliability, advantageously exploiting the inert atmosphere of the powder casting process to prevent surface oxidation of the metal during the production of the metal part. and the creation of the junction. In fact, surface oxidation causes greater brittleness of the chemical adhesion layer between the materials: in current solutions this involves disadvantageously eliminating the oxidized material by abrasion or grinding.
Naturalmente, fermo restando il principio dell’invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the embodiments and construction details may be widely varied with respect to what has been described and illustrated purely by way of non-limiting example, without thereby departing from the scope of protection of the present document. invention defined by the appended claims.
Claims (19)
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