IT202000017587A1 - Procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio - Google Patents

Description

Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo: ?PROCEDIMENTO PER LA REALIZZAZIONE DI STRUTTURE TUBOLARI IN FIBRA DI CARBONIO?.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio.

Negli ultimi anni, le strutture in fibra di carbonio si sono ampiamente diffuse nella realizzazione di manufatti in numerosi settori tecnici grazie alla elevata resistenza e robustezza di tale materiale.

In particolare, le strutture tubolari in fibra di carbonio sono estremamente diffuse nella realizzazione di attrezzature sportive, in cui ? richiesta una elevata leggerezza e una notevole resistenza meccanica.

Con il termine ?fibra di carbonio? ci si riferisce generalmente ad un materiale composito composto da fili in fibra in carbonio e da una matrice, ad esempio del tipo di una resina. La matrice ha la funzione di mantenere la forma del manufatto realizzato e di proteggere i fili di carbonio.

I fili in fibra di carbonio sono ottenuti per intreccio di una pluralit? di filamenti, aventi diametro solitamente compreso tra 5 e 8 ?m.

I fili in fibra di carbonio risultano estremamente resistenti alla trazione, tuttavia, i singoli filamenti di carbonio, a causa delle caratteristiche anisotrope di tale materiale, risultano fragili se sottoposti a torsioni e piegature eccessive e possono andare incontro a rotture.

Per tale motivo, i fili in fibra di carbonio vengono lavorati mediante una tecnica di tessitura a telaio, in cui i fili vengono mantenuti sostanzialmente rettilinei e intrecciati in modo perpendicolare tra loro a formare teli piani. I procedimenti di tipo noto per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio prevedono, quindi, la realizzazione di un telo in fibra di carbonio e il suo avvolgimento attorno ad un corpo di sostegno, il quale conferisce la forma alla struttura tubolare finale. Infine, il telo viene irrigidito mediante applicazione di una resina.

Attraverso tale metodica, la zona in cui le estremit? del telo si congiungono definisce una zona di indebolimento della struttura tubolare finale in quanto, in corrispondenza di tale zona, il telo ? mantenuto in posa dalla sola resina.

Per ovviare a tale inconveniente, il telo in fibra di carbonio viene avvolto pi? volte attorno al corpo di sostegno. In questo modo, la struttura tubolare finale risulta composta da una pluralit? di strati di telo e, di conseguenza, acquisisce una elevata resistenza.

? evidente come tale metodica, tuttavia, richieda una elevata quantit? di fibra di carbonio e allo stesso tempo di resina. ? infatti necessario che la resina impregni completamente tutti gli strati di telo per garantire una tenuta ottimale. Inoltre, l?utilizzo di quantit? elevate di resina determina anche tempi di asciugatura/indurimento maggiormente lunghi.

Un altro inconveniente ? legato alla difficolt? nel realizzare strutture tubolari complesse, ossia composte da una pluralit? di porzioni tubolari contigue tra loro. A questo scopo, i procedimenti noti prevedono la realizzazione di strutture tubolari lineari che vengono poi collegate tra loro in un secondo momento. Tale collegamento viene eseguito mediante nastri in fibra di carbonio che vengono avvolti attorno alla zona di collegamento tra due o pi? strutture tubolari lineari e fissati a loro volta con la resina. Anche in questo caso, ? richiesta, quindi, una elevata quantit? di materiale e lunghi tempi di realizzazione.

Inoltre, non ? da sottovalutare il fatto che anche l?unione di pi? porzioni pu? portare alla formazione di zone di indebolimento che rendono la struttura tubolare finale maggiormente suscettibile a rotture.

Il compito principale della presente invenzione ? quello di escogitare un procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio che consenta di ridurre la formazione di zone di indebolimento e che permetta di ottenere una struttura tubolare in fibra di carbonio provvista di una elevata resistenza e robustezza.

Un ulteriore scopo del presente trovato ? quello di escogitare un procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio che permetta di ottenere strutture tubolari di forme complesse in modo pratico e agevole.

Un altro scopo del presente trovato ? quello di escogitare un procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio che consenta di ridurre i costi e le tempistiche di lavorazione.

Altro scopo del presente trovato ? quello di escogitare un procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio che consenta di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota nell?ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto.

Gli scopi sopra esposti sono raggiunti dal presente procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio avente le caratteristiche di rivendicazione 1.

Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:

la figura 1 ? una rappresentazione schematica di una bicicletta provvista della struttura tubolare secondo il trovato;

le figure 2 e 3 sono rappresentazioni schematiche delle calze secondo il trovato;

le figure da 4 a 7 rappresentano le fasi del procedimento secondo il trovato. Con particolare riferimento a tali figure, si ? indicato globalmente con 1 una struttura tubolare in fibra di carbonio.

Il procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio comprende le seguenti fasi:

- almeno una prima lavorazione a maglia di un filo in fibra tessile e di un filo in fibra di carbonio ad ottenere una prima calza 2 avente un primo asse longitudinale A1;

- almeno una seconda lavorazione a maglia di un filo in fibra tessile e di detto filo in fibra di carbonio ad ottenere una seconda calza 3 avente un secondo asse longitudinale A2;

- inserimento di una tra la prima calza 2 e la seconda calza 3 all?interno dell?altra ad ottenere una coppia di calze 4; e

- irrigidimento della coppia di calze 4 ad ottenere una struttura tubolare 1 rigida in fibra di carbonio.

Nella forma di attuazione mostrata in figura 1, la struttura tubolare 1 ? un telaio di una bicicletta B o parte di esso.

Non si esclude, tuttavia, che la struttura tubolare 1 sia di tipo differente, come ad esempio una racchetta da tennis, una canna da pesca, una mazza da golf o un qualunque manufatto tubolare che necessiti di una elevata leggerezza e al contempo una elevata resistenza meccanica.

Le calze 2, 3 vengono realizzate mediante la tecnica di lavorazione a maglia. Come noto al tecnico del settore, la lavorazione a maglia ? una tecnica attraverso la quale un filo viene avvolto e ripiegato su s? stesso pi? volte a formare una pluralit? di punti di collegamento.

Vantaggiosamente, le fasi di lavorazione a maglia sono eseguite mediante una macchina da maglieria.

La macchina da maglieria permette di rendere le fasi di lavorazione estremamente rapide e ripetibili.

Nelle tradizionali tecniche di lavorazione i punti si sviluppano lungo una direzione di lavoro formando i cosiddetti ranghi. A ogni rango se ne intreccia un altro, i cui punti s?incatenano con quelli del rango precedente e cos? via, generando una maglia che si sviluppa trasversalmente alla direzione di lavoro, che definisce la direzione di sviluppo del manufatto tessile ottenuto.

A differenza di altre tecniche di lavorazione, come ad esempio la tessitura in telaio, la lavorazione a maglia permette di ottenere un manufatto tessile provvisto di una notevole elasticit? propria, indipendente da quella del filo che lo compone. L?elasticit? ? dovuta al fatto che i fili intrecciati a maglia agiscono come molle, cedendo alla tensione e tornando in seguito nella posizione iniziale.

Le calze 2, 3 risultano, quindi, facilmente deformabili e adattabili a seconda della struttura tubolare 1 che si desidera ottenere.

In una tipologia di lavorazione a maglia, il filo di lavorazione pu? essere uno solo, tuttavia, utilizzando un filo aggiuntivo ? possibile realizzare una pluralit? di intrecci differenti.

In particolare, utilizzando un filo in fibra tessile e un filo in fibra di carbonio ? possibile ottenere le calze 2, 3, ognuna provvista di fili lavorati 5, ossia ripiegati a formare i punti, in fibra tessile e di fili tramati 6, 7, ossia intrecciati tra i fili lavorati 5, in fibra di carbonio.

Nello specifico, i fili tramati 6, 7 vengono intrecciati tra un punto di filo lavorato 5 e un altro, rimanendo sostanzialmente rettilinei.

Nell?ambito della presente trattazione, con l?espressione ?sostanzialmente rettilinei? si intende che il filo in fibra di carbonio pu? assumere una lieve curvatura durante la lavorazione ma non ? sottoposto a brusche piegature come, invece, avviene per il filo in fibra tessile, evitando, quindi, eccessive sollecitazioni del filo in fibra di carbonio stesso che potrebbero comprometterne la resistenza.

Utilmente la fibra tessile ? realizzata in un materiale scelto dall?elenco comprendente: kevlar, materiale naturale (ad es. cotone, seta), materiale sintetico, materiale polimerico, materiale metallico, oppure una combinazione dei suddetti materiali.

Preferibilmente, la fibra tessile ? kevlar.

Il kevlar ? una fibra sintetica provvista di un?altissima resistenza alla trazione e che viene generalmente impiegata come fibra di rinforzo in attrezzature e dispositivi di protezione individuali.

La combinazione dei fili lavorati 5 e dei fili tramati 6, 7 permette, quindi, di ottenere le calze 2, 3 provviste di elevata elasticit? e al contempo di una notevole resistenza.

Nella preferita forma di attuazione mostrata nelle figure, la prima calza 2 e la seconda calza 3 vengono realizzate con la medesima tipologia di filo in fibra tessile. Non si esclude, tuttavia, che possano essere realizzate con fili in fibra tessile differenti.

Vantaggiosamente, le fasi di lavorazione vengono realizzate mediante una macchina da maglieria a doppia frontura.

La frontura ? una parte della macchina da maglieria sulla quale sono montati una pluralit? di utensili, detti ?aghi?, che supportano i fili e che vengono opportunamente movimentati per realizzare i punti.

Mediante l?impiego di una macchina a doppia frontura ? possibile realizzare direttamente le calze 2, 3 secondo una conformazione tubolare, evitando successive fasi di cucitura.

In questo modo, il procedimento secondo il trovato permette di evitare la formazione di zone di indebolimento che possono comportare la rottura della struttura tubolare 1 se sottoposta ad eccessive sollecitazioni meccaniche.

Non si esclude, tuttavia, che le calze 2, 3 possano essere fabbricate mediante macchine da maglieria dotate di un numero di fronture diverso da due e/o in cui le calze 2, 3 siano realizzate sotto forma di teli piani e solo in seguito unite a due estremit? opposte ad ottenere un manufatto di forma tubolare.

La fase di prima lavorazione viene eseguita in modo che il primo asse longitudinale A1 sia sostanzialmente perpendicolare alla direzione di sviluppo della prima calza 2.

Come mostrato in figura 2, i ranghi della prima calza 2 si sviluppano parallelamente al primo asse longitudinale A1.

Mediante la prima lavorazione a maglia, si ottiene la prima calza 2 provvista di almeno un primo filo tramato 6 in fibra di carbonio che si sviluppa lungo una prima direzione D1 sostanzialmente parallela al primo asse longitudinale A1.

Nello specifico, la prima calza 2 comprende una pluralit? di primi fili tramati 6 disposti assialmente equidistanti attorno al primo asse longitudinale A1.

La fase di seconda lavorazione, invece, viene eseguita in modo che il secondo asse longitudinale A2 sia parallelo alla direzione di sviluppo della seconda calza 3.

Come mostrato in figura 3, i ranghi della seconda calza 3 si sviluppano trasversalmente al secondo asse longitudinale A2.

La fase di seconda lavorazione permette di ottenere la seconda calza 3 provvista di un secondo filo tramato 7 in fibra di carbonio che si sviluppa lungo una seconda direzione D2 trasversale al secondo asse longitudinale A2.

Pi? in dettaglio, la seconda calza 3 comprende un unico secondo filo tramato 7 che si sviluppa in modo elicoidale attorno al secondo asse longitudinale A2.

Il secondo filo tramato 7, quindi, si estende per l?intera lunghezza della seconda calza 3 senza soluzione di continuit?.

Il procedimento prevede poi l?inserimento delle calze 2, 3 l?una nell?altra, come rappresentato in figura 4.

Nella forma di attuazione mostrata nelle figure, la seconda calza 3 viene inserita all?interno della prima calza 2.

Non si escludono, tuttavia, ulteriori forme di realizzazione in cui sia la prima calza 2 ad essere inserita nella seconda calza 3.

Non si escludono, inoltre, altre forme di attuazione ancora in cui siano previste pi? prime calze 2 e/o pi? seconde calze 3, inserite una dentro l?altra in modo alternato, ad esempio:

- una prima calza 2 inserita tra due seconde calze 3;

- una seconda calza 3 inserita tra due prime calze 2;

- tre prime calze 2, di cui una esterna, una interna ed una intermedia, e due seconde calze 3, di cui una inserita tra la prima calza 2 esterna e la prima calza 2 intermedia ed una inserita tra la prima calza 2 intermedia e la prima calza 2 interna.

La fase di inserimento viene eseguita in modo che la prima calza 2 e la seconda calza 3 siano sostanzialmente coassiali e sovrapposte.

In pratica, nella coppia di calze 4, il primo asse longitudinale A1 e il secondo asse longitudinale A2 coincidono.

Vantaggiosamente, la fase di inserimento comprende la sovrapposizione delle calze 2, 3 in modo che l?almeno un primo filo tramato 6 e il secondo filo tramato 7 siano trasversali tra loro.

Pi? dettagliatamente, i primi fili tramati 6 sono sostanzialmente perpendicolari al secondo filo tramato 7.

In altre parole, nella coppia di calze 4, i fili tramati 6, 7 definiscono una rete di fili in fibra di carbonio.

La successiva fase di irrigidimento comprende le sottofasi di:

- inserimento di almeno un corpo di sostegno 8 all?interno della coppia di calze 4;

- applicazione di mezzi di fissaggio 9 alla coppia di calze 4; e

- rimozione del corpo di sostegno 8.

Il corpo di sostegno 8 ? provvisto di un terzo asse longitudinale A3 ed ? disposto sostanzialmente coassiale rispetto alla coppia di calze 4.

In tale configurazione, quindi, i tre assi longitudinali A1, A2, A3 coincidono. (Figura 6)

Il corpo di sostegno 8 ha la funzione di sostenere la coppia di calze 4 durante l?applicazione dei mezzi di fissaggio 9 e di conferire la forma desiderata alla struttura tubolare 1.

Nella forma di attuazione mostrata nelle figure, il corpo di sostegno 8 ha una conformazione cilindrica. Nella fattispecie il corpo di sostegno 8 ? anch?esso di conformazione tubolare.

Non si esclude, tuttavia, che il corpo di sostegno 8 possa avere una conformazione differente. Ad esempio, il corpo di sostegno 8 pu? avere una conformazione troncoconica e/o avere sezione poligonale.

I mezzi di fissaggio 9 hanno la funzione di unire saldamente tra loro le due calze 2, 3.

Vantaggiosamente, i mezzi di fissaggio 9 sono del tipo di una resina epossidica.

La resina epossidica garantisce una ottimale impregnazione sia delle fibre tessili sia delle fibre di carbonio e permette, dunque, una salda adesione tra le stesse esse. La resina epossidica, inoltre, richiede tempi di asciugatura/irrigidimento piuttosto rapidi permettendo, quindi, tempistiche di lavorazione contenute.

In pratica, la fase di irrigidimento comporta l?indurimento della coppia di calze 4 ma anche un?intima unione reciproca delle calze stesse, portando i rispettivi fili tramati 6, 7 a stretto contatto reciproco.

L?unione dei fili tramati 6, 7 definisce una rete 10 in fibra di carbonio che conferisce una elevata resistenza e robustezza alla struttura tubolare 1.

Infine, come mostrato in figura 7, il corpo di sostegno 8 viene estratto, rilasciando la struttura tubolare 1.

Vantaggiosamente, il procedimento secondo il trovato permette di ottenere la struttura tubolare 1 provvista di una pluralit? di porzioni tubolari contigue, associate trasversalmente tra loro.

Infatti, i fili in fibra tessile e in fibra di carbonio possono essere lavorati a maglia in modo da ottenere le calze 2, 3 provviste di pi? porzioni tubolari tra loro contigue, ognuna avente un proprio asse longitudinale.

Tale soluzione realizzativa prevede, inoltre, che il corpo di sostegno 8 sia realizzato a sua volta in una pluralit? di porzioni contigue tra loro.

Una volta eseguite le fasi di inserimento e irrigidimento, il procedimento permette cos? di ottenere strutture tubolari 1 complesse che non necessitano di un successivo assemblaggio, evitando la formazione di zone di indebolimento e riducendo il rischio di rottura delle stesse.

Nel caso in cui occorra unire tra loro due strutture tubolari separate, ? comunque possibile adottare sistemi di incollaggio o di altro tipo di fissaggio.

Si ? in pratica constatato come l?invenzione descritta raggiunga gli scopi proposti e in particolare si sottolinea il fatto che il presente procedimento permetta di ridurre la formazione di zone di indebolimento e permette di ottenere una struttura tubolare in fibra di carbonio provvista di una elevata resistenza e robustezza.

La realizzazione di calze flessibili in forma tubolare permette infatti di evitare cuciture che potrebbero portare ad un indebolimento della struttura tubolare finita. Inoltre, la flessibilit? delle calze data dalla tipologia di lavorazione a maglia, permette di adattare facilmente le calze stesse alla forma del corpo di sostegno.

Inoltre, grazie alla possibilit? di lavorare agevolmente le calze secondo una forma complessa, permette di ottenere strutture tubolari di forme complesse in modo pratico e agevole.

Infine, il procedimento secondo il trovato permette di ridurre il materiale impiegato e la quantit? di resina necessaria ad impregnare i vari strati, riducendo i costi e le tempistiche di lavorazione.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1) Procedimento per la realizzazione di strutture tubolari in fibra di carbonio, caratterizzato dal fatto che comprende le seguenti fasi:

- almeno una prima lavorazione a maglia di un filo in fibra tessile e di un filo in fibra di carbonio ad ottenere una prima calza (2) avente un primo asse longitudinale (A1) e comprendente almeno un primo filo tramato (6) in fibra di carbonio che si sviluppa lungo una prima direzione (D1) sostanzialmente parallela detto primo asse longitudinale (A1);

- almeno una seconda lavorazione a maglia di un filo in fibra tessile e di detto filo in fibra di carbonio ad ottenere una seconda calza (3) avente un secondo asse longitudinale (A2) e comprendente un secondo filo tramato (7) in fibra di carbonio che si sviluppa lungo una seconda direzione (D2) trasversale a detto secondo asse longitudinale (A2);

- inserimento di una tra detta prima calza (2) e detta seconda calza (3) all?interno dell?altra ad ottenere una coppia di calze (4);

- irrigidimento di detta coppia di calze (4) ad ottenere una struttura tubolare (1) rigida in fibra di carbonio.

2) Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette fasi di lavorazione a maglia sono eseguite mediante una macchina da maglieria.

3) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fibra tessile ? realizzata in un materiale scelto dall?elenco comprendente: kevlar, materiale naturale, materiale sintetico, materiale polimerico, materiale metallico.

4) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta prima calza (2) comprende una pluralit? di detti primi fili tramati (6) disposti assialmente equidistanti attorno a detto primo asse longitudinale (A1).

5) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta seconda calza (3) comprende un unico secondo filo tramato (7) che si sviluppa in modo elicoidale attorno a detto secondo asse longitudinale (A2).

6) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto inserimento comprende la sovrapposizione di dette calze (2, 3) in modo che detto almeno un primo filo tramato (6) e detto secondo filo tramato (7) siano trasversali tra loro.

7) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto irrigidimento comprende le sottofasi di: - inserimento di almeno un corpo di sostegno (8) all?interno di detta coppia di calze (4);

- applicazione di mezzi di fissaggio (9) a detta coppia di calze (4); e - rimozione di detto corpo di sostegno (8).

8) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di fissaggio (9) sono del tipo di una resina epossidica.

9) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta struttura tubolare (1) comprende una pluralit? di porzioni tubolari contigue, associate trasversalmente tra loro.

10) Procedimento secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta struttura tubolare (1) ? un telaio di una bicicletta (B) o parte di esso.