IT201900018281A1 - Procedimento per la formatura a stampo e il consolidamento al deposito di pezzi compositi termoplastici a rinforzo fibroso. - Google Patents

Description

"Procedimento per la formatura a stampo e il consolidamento al deposito di pezzi compositi termoplastici a rinforzo fibroso".

D E S C R I Z I O N E

Il trovato riguarda un procedimento per la formatura a stampo e il consolidamento al deposito di un pezzo composito termoplastico a rinforzo fibroso .

La formatura a stampo automatizzata, con deposito di nastri o posizionamento di fibre preimpregnate, è un modo di fabbricazione molto comune nel campo della realizzazione di pezzi compositi a rinforzo fibroso in una matrice termoinduribile . In effetti, l'adesività e la fluidità di queste resine permettono di assicurare una qualità di pezzo esente da vuoti o da porosità durante operazioni di deposito e di cottura successive. Nel caso di nastri detti preimpregnatì con un polimero termoplastico, detto polimero non presenta della adesività alla temperatura di formatura a stampo. Il "preimpregnamento" è in pratica realizzato o per calandratura di una pellicola costituita da detto polimero su detti nastri di fibre, oppure per impolvera zione di dette fibre oppure ancora con l'inserimento di fibre di polimero co-mescolate alle fibre di rinforzo. Salvo indicazione particolare i termini "pre-impregnamento" e "preimpregnato" quando si riferiscono a fibre e un polimero termoplastico debbono essere intesi secondo il senso pratico esposto prima. Le pieghe successivamente depositate sono legate tra loro dalla messa in fusione del polimero. Orbene, il polimero termoplastico fuso si caratterizza per una viscosità molto elevata, sovente di numerosi ordini di grandezza comparativamente alle resine termoinduribili non indurite. Così, anche ponendo in fusione la carica polimera contenuta nel nastro fibroso è molto difficile di ottenere un'impregnazione efficace dell'insieme delle pieghe depositate. Inoltre, se la viscosità del polimero fuso può essere ridotta aumentando la temperatura, generalmente al di là della temperatura di fusione, questo costituisce allora l'oggetto di un rigonfiamento importante difficile da controllare in un processo di deposito dinamico. Di conseguenza, vuoti e porosità sussistono nell 'impilamento e questo tanto più la velocità di deposito o, più precisamente, la portata di materiale depositato è elevata. Così, sebbene il polimero termoplastico non richieda cottura per raggiungere le sue caratteristiche meccaniche, è tuttavia necessario realizzare un consolidamento della stratificazione formata così a stampo per ottenere un pezzo finito che risponda alle esigenze richieste per applicazioni strutturali di un simile pezzo. Tale consolidamento consiste nel portare la stratificazione ottenuta con formatura a stampo alla temperatura di fusione del polimero, mantenendo lo spessore del pezzo con mezzi di pressurizzazione, generalmente in autoclave. Così, la rimessa in fusione del polimero e l'effetto della pressione permettono di compattare l'insieme e di eliminare i vuoti e le porosità di detta stratificazione. Sempre in conseguenza del rigonfiamento del polimero durante la sua messa in fusione, il pezzo raggiunge il suo spessore definitivo solo dopo l'operazione di compattazione successiva alla formatura a stampo, e tale operazione richiede l'attuazione di mezzi, come delle lamiere di conformazione, che permettono di ottenere uno spessore uniforme del pezzo e lo stato di superficie desiderato sulle sue facce. Questa operazione di compattazione essendo realizzata alla temperatura di fusione del polimero termoplastico, questa è, in una maniera generale, nettamente più elevata delle temperature di polimerizzazione delle resine termoinduribili . Questa operazione comporta l'attuazione di mezzi come autoclavi, macchinari e materiali di consumo, in particolare per realizzare la tenuta, di costo oneroso .

Tutti i dispositivi della tecnica nota, e a titolo di esempio il dispositivo e il procedimento descritti nel documento brevettuale europeo EP-B-1 911 569, affrontano il problema del consolidamento, detto in situ , ossia durante il deposito di nastri fibrosi pre-impregnati con un polimero termoplastico, con la ricerca di un riscaldamento e di una messa in pressione il più possibile uniformi del nastro in corso di deposito e delle pieghe predepositate. Così, l'ottenimento di una qualità di pezzo esente da porosità si basa su dispositivi complessi di riscaldamento e di messa in pressione che permettono di mantenere gli strati depositati ad una temperatura e una pressione sufficiente per un periodo sufficiente ad assicurare una impregnazione uniforme delle pieghe. I risultati sono così ottenuti al prezzo della complessità dei dispositivi e a discapito della resa. Anche al prezzo di tale complessità, sìmili procedimenti sono in pratica limitati negli spessori massimi che possono essere così depositati e consolidati in situ e l'esperienza industriale della richiedente dimostra che non è possibile, in condizioni di produzione industriali, di realizzare con questi procedimenti delle stratificazioni che comprendano più di 8 pieghe sovrapposte nel rispetto delle esigenze relative ai pezzi strutturali di classe 2F per il campo aeronautico.

Il documento "Manufacturing processes for advanced composites" Chapitre 10, Elsevier Advanced Technology del 1° Gennaio 2004, conferma che questi procedimenti di consolidamento in situ di una stratificazione di pieghe pre-impregnate con un polimero termoplastico, non consente di raggiungere, in condizioni industriali, tassi di consolidamento superiori al 90% e che una fase di post-consolidamento, in particolare per mezzo di una lamiera di compattazione è necessaria dopo la formatura a stampo.

Il trovato mira a risolvere gli inconvenienti della tecnica nota e propone a tale scopo un procedimento di formatura a stampo di un nastro di fibre comprendente un polimero termoplastico e di consolidamento al deposito di un pezzo così formato a stampo , detto procedimento comprendendo le fasi che consistono nel:

a. pre-consolidare un nastro di fibre preimpregnate con un polimero termoplastico;

b. stoccare detto nastro pre-consolidato sotto forma di semi-prodotto;

c. formare a stampo detto semi-prodotto su una piega di pari natura precedentemente depositata su una forma pressando detto semi-prodotto su detta piega e riscaldando l’interfaccia tra il semiprodotto e la piega prima del deposito ad una temperatura, T, atta ad ottenere la saldatura del semi -prodotto su detta piega.

Cosi, il pre-consolidamento permette di ottenere un nastro di fibre esente da difetti come porosità, eliminando l’aria occlusa in dette fibre e alla loro unione, ed un'impregnazione regolare delle fibre di tale nastro permettendo inoltre di aumentare la superficie di polimero esposto alla saldatura durante l'operazione di formatura a stampo. Così, il procedimento oggetto del trovato non richiede la messa in fusione dell'integralità del polimero compreso nel nastro pre-consolidato e del polimero compreso nelle pieghe precedentemente depositate, bensì semplicemente di portare l'interfaccia tra i due ad una temperatura che permette la saldatura a detta interfaccia, tale temperatura è dell'ordine della temperatura di fusione del materiale ed è meno vincolante in termini di viscosità della temperatura che permette l'impregnazione delle fibre durante il consolidamento. Il termine saldatura si intende come la co-fusione di almeno uno strato superficiale su ciascuno degli elementi (nastro e piega pre-depositata) così assemblati. Queste condizioni, oltre al vantaggio del consolidamento in situ, permettono un deposito rapido con dei mezzi semplici, che autorizzano la realizzazione di forme complesse e/o l'utilizzo di nastri di ampia larghezza per ottenere delle portate massiche di formatura a stampo confrontabili con quelle ottenute con delle resine di impregnazione termoinduribili . In assenza di consolidamento ad alta temperatura alla fine della formatura a stampo, i costi dei macchinari, dell'impianto e dei materiali di consumo sono molto ridotti.

Il trovato può essere attuato secondo i modi di realizzazione vantaggiosi esposti qui di seguito, che possono essere considerati individualmente o secondo qualunque combinazione tecnicamente operante.

Vantaggiosamente, la fase a) è realizzata con la pultrusione di ciocche preimpregnate di un polimero termoplastico, attraverso una filiera. Così, il procedimento di pultrusione permette un pre-consolidamento dinamico e rapido del nastro di fibre pre-impregnate e permette inoltre una calibratura in spessore e in larghezza di tale nastro. Il passaggio nella filiera permette così di schiacciare i fusi di ciocche pre-impregnate e di ottenere una distribuzione regolare della resina respingendo al contempo l’aria inclusa in queste ciocche.

Vantaggiosamente, il pre-consolidamento della fase a) è realizzato ad una temperatura T1 superiore alla temperatura di fusione del polimero termoplastico. Così, la fluidità del polimero permette un'impregnazione perfetta delle fibre.

In modo vantaggioso, il semi-prodotto è immagazzinato alla fase b) sotto forma di un rullo atto ad essere installato e srotolato da una macchina di formatura a stampo nel corso della fase c) . Il nastro di polimero è sufficientemente fine per prestarsi a questo modo di confezionamento, che sfrutta una tendenza naturale del nastro, in particolare in uscita di pultrusione, ad avvolgersi su se stesso alla fine del consolidamento dinamico.

In conformità a un modo di realizzazione particolare, il polimero termoplastico è un polietereterchetone (PEEK), T1 = 400°C e T è pari alla temperatura di fusione cristallina del polimero. Così, il procedimento oggetto del trovato, permette di creare con formatura a stampo e consolidamento in situ dei pezzi costituiti da un composito a rinforzo fibroso continuo in una simile matrice ad alta prestazione senza richiedere di mezzi, come una stufa o un autoclave, atti a realizzare il consolidamento del pezzo ad alta temperatura.

Il trovato è esposto qui di seguito secondo i suoi modi di realizzazione preferiti, niente affatto limitativi, con riferimento alle figure 1A e 1B nelle quali:

- la figura 1A mostra il profilo e secondo uno schema di principio l'operazione di preconsolidamento per pultrusione di un nastro fibroso pre-impregnato con un polimero termoplastico secondo un esempio di realizzazione del procedimento oggetto del trovato;

- la figura 1B rappresenta secondo una vista di profilo uno schema di principio della realizzazione di un'operazione di formatura a stampo secondo un esempio di realizzazione del trovato .

Con riferimento a Figura 1A, nel corso di una prima fase del procedimento oggetto del trovato, delle ciocche ( costituita da fibre, per esempio da fibra di carbonio, pre-impregnate con un polimero termoplastico, per esempio polietereterchetone, o PEEK, sono pre-consolidate nel corso di un processo di dinamica (120) per esempio di pultrusione. Un simile processo di pultrusione è conosciuto dalla tecnica nota e consiste, secondo un esempio di realizzazione, non limitativo, nel portare dette ciocche (110) preimpregnate per pellicolatura, polverizzazione o co-mescolamento di ciocche polimere ad una temperatura prossima alla temperatura di fusione di detto polimero, per esempio, nel corso del passaggio di dette ciocche in un dispositivo (125) di riscaldamento ad infrarosso. Nel caso in cui il polimero termoplastico sia costituito da PEEK, questo primo riscaldamento porta dette ciocche ad una temperatura compresa fra 300°C e la temperatura di fusione cristallina di detto polimero, ossia 360°C circa, secondo il grado di PEEK utilizzato. Le ciocche sono allora passate in una prima filiera (126) detta calda, portata ad una temperatura sufficiente affinché la fluidità del polimero fuso possa impregnare in maniera regolare le ciocche. Per il PEEK, questa temperatura T1 è tipicamente compresa tra la temperatura di fusione cristallina e 400°C, di modo che T1 sia preferibilmente fissato a 400°C. Detta filiera presenta un traferro variabile che permette di portare progressivamente le ciocche verso la forma di uno strato impregnato di spessore e larghezza definite, il quale strato è allora introdotto in una filiera (127) di raffreddamento e di calibratura. Lo strato consolidato (115) in uscita dalla filiera di calibratura è di spessore ridotto (1 piega) e sufficientemente flessibile per essere avvolto su un rullo (130) di stoccaggio o immagazzinamento di diametro appropriato. Lo strato così consolidato è stabile e può essere stoccato in maniera indefinita a temperatura ambiente sotto questa forma di semi-prodotto . Così, detto semi-prodotto (115) può essere fabbricato in grande serie, secondo procedimenti di fabbricazione continua in fabbriche o in unità di produzione dedicate, lontane e indipendenti dalle unità di formatura a stampo .

Con riferimento a Figura 1B, la fabbricazione del pezzo composito è realizzata con formatura a stampo posizionando il rullo di semi-prodotto (130) in una macchina per formatura a stampo. La formatura a stampo è realizzata su un macchinario (150) scolpito con la forma del pezzo da ottenere. Una simile macchina per formatura a stampo, atta ad attuare detto semi-prodotto, è conosciuta dalla tecnica nota e descritta nel suo principio di deposito a titolo di esempio non limitativo nel documento brevettuale francese FR-A-2 950 285. Una simile macchina per formatura a stampo adatta all'attuazione del procedimento secondo il trovato comprende :

- mezzi per accogliere e srotolare il rotolo (130) di semi-prodotto (115);

- mezzi pressori (160) atti ad applicare una pressione (165) sul semi-prodotto (115) nel corso della formatura a stampo;

- mezzi di riscaldamento (170) atti a portare l'interfaccia tra il semi-prodotto (115) in corso di deposito e la piega (117) precedentemente depositata .

I mezzi di riscaldamento (170) sono dimensionati per portare questa interfaccia ad una temperatura T che permette la saldatura del semiprodotto pre-consolidato sulla piega (117) già depositata, tale piega essendo a sua volta preconsolidata. Questa temperatura è prossima alla temperatura di fusione cristallina del polimero termoplastico ossia circa 360°C per il PEEK secondo il grado utilizzato.

La prima piega pre-consolidata depositata sul macchinario, può, a titolo di esempio, essere formata a stampo allo stesso modo, su un tessuto strappabile, per esempio un tessuto di vetro, il quale tessuto di vetro può essere mantenuto sul macchinario con adesivi o anche con un dispositivo a depressione. Le pieghe sono così depositate per formatura a stampo secondo orientamenti definiti sino ad ottenere la stratificazione desiderata. Il pezzo finito può allora essere sformato e non richiede consolidamento successivo. Così, il macchinario (150) utilizzato non richiede più tenuta all'alta temperatura di quanto lo richieda la gestione di dilatazioni differenziali tra tale macchinario e il pezzo durante detta fase di consolidamento .

La descrizione e gli esempi di realizzazione precedenti mostrano che il trovato raggiunge gli obiettivi mirati, in particolare permette la realizzazione di un pezzo finito comprendente un rinforzo fibroso continuo in una matrice termoplastica direttamente per formatura a stampo.

Claims (3)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1 . Procedimento per la formatura a stampo di un nastro (110) di fibre comprendente un polimero polieterterchetone (PEEK), e il consolidamento al deposito di un pezzo così formato a stampo, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi che consistono nel: a. preriscaldare le fibre preimpregnate di PEEK, calandrato sotto forma di pellicola su dette fibre o polverizzato su dette fibre o sotto forma di fibre di polimero co-mescolate, ad una temperatura inferiore alla temperatura di fusione cristallina del PEEK, e pre-consolidare detto nastro (110) di fibre pre-impregnate mediante pultrusione (120) attraverso una filiera (126, 127) portata ad una temperatura Tl superiore alla temperatura di fusione cristallina del PEEK; b. stoccare detto nastro pre-consolidato sotto forma di semi-prodotto (115) in rullo (130); c. formare a stampo per mezzo di una macchina di formatura a stampo automatica detto semiprodotto (115) su una piega (117) di pari natura, precedentemente depositata su una forma (150), srotolando il rullo (130) di semi-prodotto e pressando (165) detto semi-prodotto (115) su detta piega (117) riscaldando al contempo l'interfaccia tra il semi-prodotto e la piega (117) precedentemente depositata ad una temperatura, T, prossima alla temperatura di fusione cristallina del PEEK atta ad ottenere la saldatura del semiprodotto (115) su detta piega (117).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il pre-consolidamento della fase a) è realizzato ad una temperatura T1 superiore alla temperatura di fusione del polimero termoplastico .
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che T1 = 400°C e che T è pari alla temperatura di fusione cristallina del PEEK.