ITBO20100420A1 - Struttura comprendente materiale composito - Google Patents
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Description
Titolo: “STRUTTURA COMPRENDENTE MATERIALE COMPOSITO"
* * * *
La presente invenzione riguarda una struttura comprendente un materiale composito idonea alla riduzione degli attriti di componenti meccanici destinati allo strisciamento.
Le boccole, ad esempio, sono componenti fondamentali di molti apparati meccanici comprendenti alberi metallici ed altre parti in movimento e vengono sottoposte a rilevanti sollecitazioni meccaniche e termiche. Le boccole attualmente disponibili si diversificano soprattutto per il materiale di costruzione, in particolare sono note boccole in materiale composito di resina e materiali a fibre lunghe, quali vetro e polimeri, boccole in materiale composito a fibre lunghe impregnate con materiali di scorrimento autolubrificanti come PTFE, boccole in metallo con strato interno in materiale autolubrificante, generalmente costituito da uno strato di tessuto impregnato con materiale di scorrimento, e boccole in polimero caricato che non contengono fibre lunghe.
Tuttavia, le boccole dei tipi attualmente disponibili presentano diversi svantaggi quali l'usura meccanica della boccola e dell'albero per attrito durante il funzionamento dell'apparato meccanico, l'aumento delle differenze dimensionali (cosiddetto "gioco") tra albero e boccola durante il movimento, i limiti ai carichi ammissibili dovuti alle proprietà meccaniche dei materiali e un relativamente elevato coefficiente di attrito. La maggioranza delle soluzioni realizzative di tipo noto non à ̈ idonea a tollerare ripetute e successive deformazioni in campo elastico e ciò determina un rapido decadimento delle proprietà strutturali dei componenti con conseguente disservizio.
Analogamente à ̈ nota l'adozione di altri componenti quali pattini, slitte, lame (racle) e simili in materiali metallici e/o polimerici che scorrono strisciando su rispettive superfici di riscontro. Tali componenti sono facilmente soggetti ad usura con conseguente aumento delle differenze dimensionali (cosiddetto "gioco" nel caso di boccole). Per pattini e racle/lame le abrasioni determinano un decremento del carico sopportabile e un rapido decadimento delle proprietà fisico meccaniche in generale.
Compito principale del presente trovato à ̈ quello di risolvere i problemi sopra esposti, proponendo una struttura comprendente un materiale composito di elevata elasticità e resistenza meccanica abbinate ad un ridotto attrito di strisciamento di almeno una sua superficie.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato à ̈ quello di proporre una struttura comprendente un materiale composito idonea a realizzare un ottimale contatto dinamico su una rispettiva superficie di riscontro, quali ad esempio metalli, leghe metalliche, acciai, materiali ceramici, materiali normalmente utilizzati nell'industria e simili, adattandosi ad imperfezioni di forma e dimensioni della superficie di riscontro stessa.
Un altro scopo del trovato à ̈ quello di proporre una struttura comprendente un materiale composito idonea alla realizzazione di qualsiasi componente meccanico di tipo strisciante.
Ulteriore scopo del presente trovato à ̈ quello di realizzare una struttura comprendente un materiale composito di costi contenuti relativamente semplice realizzazione pratica e di sicura applicazione.
Questi scopi ed altri che verranno di seguito illustrati sono stati raggiunti tramite una struttura comprendente almeno uno strato di un materiale composito caratterizzata dal fatto che comprende due facce e à ̈ costituita da fibre di carbonio lunghe ed ordinate e matrice polimerica, in cui su almeno una faccia di detto strato di materiale composito à ̈ fissata una lamina di materiale autolubrificante, la superficie di incollaggio a detto strato di materiale composito di detta lamina essendo preventivamente sottoposta a trattamenti di tipo sostanzialmente chimico di funzionalizzazione per l'ottenimento di un'adesione permanente a detto strato di materiale composito.
Gli scopi del presente trovato sono stati inoltre raggiunti tramite un procedimento per la preparazione della struttura che consiste nel: a) stendere una lamina (3) di materiale autolubrificante su uno stampo con la faccia che costituisce l'almeno una superficie funzionalizzata di incollaggio al materiale composito posta all’esterno;
b) stendere sulla faccia di incollaggio della detta lamina (3) almeno uno strato (2) di materiale comprendente fibre lunghe ed ordinate di carbonio ed una matrice, preferibilmente in forma di preimpregnato/prepreg, disposti secondo le direzioni predeterminate e fino allo spessore desiderato;
c) sottoporre il manufatto ottenuto nella fase b) ad una pressione di compattazione dello strato 2 sulla lamina 3 per garantire che le superfici di contatto combacino perfettamente;
d) solidificazione tramite temperatura, compresa tra 40°C e 500°C, e pressione superiore ad 1 Bar, al fine di ottenere una matrice del composito avente temperatura di transizione vetrosa sostanzialmente superiore a 80° C.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, della struttura comprendente un materiale composito secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui:
la fig.1 rappresenta, in vista laterale sezionata secondo un piano trasversale, una possibile soluzione realizzativa di una struttura comprendente un materiale composito secondo il trovato, con conformazione del tipo di un pattino (o pastiglia) a strisciamento;
la fig.2 rappresenta, in vista laterale sezionata secondo un piano trasversale, una ulteriore possibile soluzione realizzativa di una struttura comprendente un materiale composito secondo il trovato, con conformazione del tipo di una lama a strisciamento;
la fig.3 rappresenta, in vista laterale sezionata secondo un piano trasversale, una ulteriore possibile soluzione realizzativa di una struttura comprendente un materiale composito secondo il trovato, con conformazione del tipo di un becco a strisciamento;
la fig.4 rappresenta, in vista laterale sezionata secondo un piano trasversale, una ulteriore possibile soluzione realizzativa di una struttura comprendente un materiale composito secondo il trovato, con conformazione del tipo di una boccola a strisciamento;
la fig.5 rappresenta, in vista laterale sezionata secondo un piano trasversale, una ulteriore possibile soluzione realizzativa di una struttura comprendente un materiale composito secondo il trovato, con conformazione del tipo di un pattino a strisciamento.
Nell'ambito del presente trovato, con "composito" 2 o "materiale composito" si intende qualunque tipo di materiale avente una struttura non omogenea, costituita dall'insieme di due o più sostanze diverse, fisicamente separate da un'interfaccia netta di spessore sostanzialmente nullo e dotate di proprietà fisiche e chimiche differenti che rimangono separate e distinte a livello macroscopico e strutturale. I singoli materiali che formano i compositi sono chiamati costituenti: matrice e rinforzo.
La funzione principale della matrice nel composito à ̈ quella di aggregare stabilmente le fibre, garantendo la coesione tra le fibre di uno stesso strato e tra strati adiacenti. Le matrici possono essere di varia natura, ad esempio: polimeriche, metalliche, ceramiche. Nei materiali compositi moderni si utilizzano soprattutto matrici polimeriche come le resine epossidiche, le stesse usate in alcuni adesivi, i poliesteri o altre.
Nell'ambito del presente trovato, con fibra di carbonio si intende una struttura filiforme, molto sottile, formata da catene di carbonio con la quale si costruiscono una grande varietà di materiali detti compositi in quanto le fibre sono aggregate tra loro ed ad una matrice. Per la realizzazione di strutture in composito le fibre di carbonio vengono dapprima ordinate (fogli unidirezionali) o intrecciate (tessuti di carbonio).
Nella classificazione delle fibre di carbonio non esiste una netta suddivisione tra le cosiddette fibre corte e le fibre lunghe. Normalmente le fibre corte usate nell'industria hanno lunghezza compresa tra zero a 8 mm e sono utilizzate particolarmente in abbinamento a polimeri termoplastici.
Per fibra lunga, invece si intende una tipologia di fibra con lunghezza che va da qualche centimetro fino addirittura ad alcuni chilometri (se raccolte su opportune bobine).
Il modulo elastico delle fibre adottate à ̈ superiore a 200 GPa e presentano almeno 3000 MPa di resistenza a trazione.
Il comportamento dei compositi comprendenti fibre lunghe di carbonio presenta generalmente elasticità e resistenza meccanica molto superiori a quelle degli acciai ed una stabilità dimensionale altissima anche al variare delle temperatura.
Nell'ambito del presente trovato, le matrici del materiale composito saranno preferibilmente costituite da resine termoindurenti di tipo generalmente epossidico, fenolico, poliestere e simili e/o termoplastiche del tipo del peek, delle poliammidiche ad alto modulo e simili.
I materiali compositi a base di fibre di carbonio lunghe ed ordinate presentano anche ottime capacità di dissipazione termica dovuta all'elevata conducibilità termica lungo l'asse della fibra.
Il principale aspetto del presente trovato riguarda una struttura comprendente almeno uno strato di un materiale composito a base di fibre lunghe ed ordinate di carbonio e matrice polimerica, avente due facce, in cui su almeno una faccia dello strato di materiale composito à ̈ fissata una lamina di materiale autolubrificante. Il fatto che le fibre siano ordinate e disposte secondo piani e direzioni predefiniti garantisce di poter conferire al materiale le proprietà meccaniche desiderate in funzione delle sollecitazioni meccaniche cui sarà sottoposto il componente in realizzazione una volta che entrerà in servizio.
Tale lamina 3 à ̈ provvista di almeno una rispettiva faccia, costituente la superficie di incollaggio ad una rispettiva faccia dello strato 2 di materiale composito, che à ̈ trattata/funzionalizzata per l'ottimale adesione alla matrice, in modo da ottenere una coesione permanente allo strato 2 di materiale composito. Preferibilmente, in tale struttura 1, su entrambe le facce dello strato 2 di materiale composito può essere fissata una rispettiva lamina 3 di materiale autolubrificante.
Secondo una ulteriore soluzione realizzativa, preferita ma non esclusiva, la struttura 1 può comprendere almeno due strati 2 di materiale composito rivestiti su entrambe le facce con rispettive lamine 3 di materiale autolubrificante.
In questo modo la struttura 1 risulterà comprendere opportune lamine 3 autolubrificanti all'interno e/o su almeno una delle sue facce esterne: si sarà realizzata una struttura 1 a piani sovrapposti del tipo normalmente definito, nell'industria meccanica, “wafer†.
In una forma di realizzazione preferita, tale struttura 1 Ã ̈ a forma di tubo o boccola (rappresentata a titolo esemplificativo, in sezione, nella figura 4).
La boccola, ed in generale la struttura 1 dell'invenzione, presentano i seguenti vantaggi rispetto agli analoghi attualmente disponibili:
- maggiore durata in servizio, grazie alla compensazione elastica (dovuta ad un apporto elastico e strutturale) permessa dal composito a base di fibre di carbonio lunghe ed ordinate;
- un ridotto gioco durante il funzionamento grazie all’azione elastica di recupero giochi fatta dal composito 2 in carbonio e derivante dalla preferita, ma non esclusiva, interferenza di montaggio della boccola nella sua sede;
- una minore usura della boccola e dell’albero metallico (ma anche ceramico o di altri materiali idonei), su cui questa à ̈ inserita, dato che l’albero non à ̈ a contatto diretto con le fibre (che possono essere abrasive) ma solamente con il materiale autolubrificante (la lamina 3);
- un carico ammissibile più elevato grazie all’utilizzo di fibre lunghe di carbonio, opportunamente ordinate in strati sottili, rispetto all'adozione alternativa di fibre di vetro o simili oppure con l'adozione di polimeri senza fibre lunghe all’interno;
- la possibilità di utilizzare materiali interni autolubrificanti funzionalizzati (una pluralità di lamine 3) con diversi tipi di cariche per svariati usi;
- lo scivolamento a basso attrito di pattini (ad esempio la soluzione rappresentata in figura 1), tasselli e simili componenti a strisciamento, garantendo una tolleranza elastica nei confronti di eventuali andamenti irregolari della superficie A di appoggio e scorrimento, grazie al comportamento meccanico/elastico tipico dei compositi 2 a base di fibre lunghe ed ordinate di carbonio.
Preferibilmente, in tale struttura 1 la lamina 3 di materiale autolubrificante ha spessore esiguo, generalmente compreso tra 0,05 e 0,3 mm: non si esclude comunque l'adozione di lamine 3 di spessori differenti in particolari applicazioni specifiche.
Dovendo conferire rigidità strutturale all'intera struttura 1, lo strato 2 in materiale composito (o gli strati 2 laddove sia presente una pluralità di questi) dovrà presentare spessore conforme alle sollecitazioni meccaniche presenti in servizio (il calcolo delle dimensioni in funzione delle sollecitazioni di servizio andrà eseguito secondo i normali criteri di progettazione dei materiali compositi a base di carbonio a fibra lunga ed ordinata). Il dimensionamento del composito dovrà tenere conto di tutti gli strati 2 presenti nel componente in realizzazione in quanto gli stessi si suddividono il carico meccanico.
Preferibilmente, nella struttura 1 dell'invenzione il materiale autolubrificante (lamina 3) à ̈ costituito da un materiale del tipo del PTFE (politetrafluoretilene) funzionalizzato, preferibilmente caricato e/o combinato con altri materiali quali grafite, vetro e simili per indirizzarne le proprietà (l'attitudine, cioà ̈, a scorrere e strisciare con bassissimo coefficiente di attrito su rispettive superfici A costituite da materiali quali ad esempio metalli, leghe metalliche, acciai, materiali ceramici, materiali normalmente utilizzati nell'industria e simili); la funzionalizzazione può essere realizzata, ad esempio, mediante attacco chimico sulla superficie della lamina 3 con una base forte (ad esempio utilizzando ammoniaca): non si escludono comunque altri trattamenti chimici della superficie che ne determinino una più facile e stabile adesione allo strato 2.
Un altro aspetto del presente trovato riguarda un procedimento per la preparazione di tale struttura 1, consistente nel:
a) stendere una lamina 3 di materiale autolubrificante su uno stampo, con la faccia che costituisce la superficie funzionalizzata di incollaggio al materiale composito, all’esterno; b) stendere sulla faccia funzionalizzata di incollaggio della detta lamina 3 almeno uno strato 2 di materiale comprendente fibre lunghe ed ordinate di carbonio e matrice, disposti secondo le direzioni predeterminate e fino allo spessore desiderato (questa disposizione può essere ottenuta utilizzando uno o più fogli di composito preimpregnato normalmente definiti prepreg);
c) sottoporre il manufatto ottenuto nella fase b) ad una pressione di compattazione dello strato 2 sulla lamina 3 per garantire che le superfici di contatto combacino perfettamente; ad esempio, nel caso di manufatti tubolari ottenuti tramite avvolgimento su mandrino (lo stampo in questo caso à ̈ il mandrino) la pressione necessaria può essere ottenuta avvolgendo uno o più nastri di polimero, in film, termoretraibile (ad esempio potranno utilizzarsi polimeri quali il polipropilene, il poliestere, la cellulosa e simili) sullo strato 2 esterno del materiale ottenuto nella fase b);
d) solidificazione tramite temperatura, compresa tra 40°C e 500°C, e pressione superiore ad 1 Bar, al fine di ottenere una matrice del composito avente temperatura di transizione vetrosa sostanzialmente superiore a 80° C.
La fase a) e la fase b) possono eventualmente essere invertite nell'ordine di esecuzione.
La matrice, secondo una possibile soluzione realizzativa citata puramente a titolo esemplificativo e non limitativo, può essere costituita da una miscela di polimeri con opportuni additivi.
L'adozione di un foglio di materiale preimpregnato (prepreg) comprendente sia le fibre lunghe ed ordinate, sia la matrice, in corretto rapporto, Ã ̈ comunque da ritenersi la soluzione preferita.
Preferibilmente, in tale procedimento, prima della fase di compattazione c), sul materiale ottenuto nella fase b) viene stesa almeno un'altra lamina 3 di materiale autolubrificante ed eventualmente almeno un altro strato 2 di materiale composito, opportunamente alternati.
Preferibilmente, nel procedimento dell'invenzione tale stampo à ̈ uno stampo cilindrico in modo che la struttura 1 preparata sia in forma di tubo (come rappresentato a titolo di esempio in figura 4).
Preferibilmente, tale procedimento, nel caso di realizzazione di una struttura 1 di forma tubolare, comprende il taglio del tubo in boccole e, opzionalmente, la loro lavorazione meccanica in modo da ottenere le misure e le tolleranze richieste.
Non si esclude comunque di adottare uno stampo con conformazione scelta tra quella prismatica, quella cilindrica, quella tronco conica, quella sferica e simili, in modo che la struttura 1 preparata presenti conformazione almeno parzialmente coniugata a quella di tale stampo: in questo modo sarà possibile realizzare pattini, pastiglie, tasselli, lame ed altri componenti meccanici destinati allo strisciamento su una rispettiva superficie A di riscontro (superficie A costituita da materiali quali ad esempio metalli, leghe metalliche, acciai, materiali ceramici, materiali normalmente utilizzati nell'industria e simili). Un altro aspetto del presente trovato riguarda un apparato meccanico od articolo comprendente almeno una di dette strutture 1: ad esempio un macchinario che adotti boccole e/o pattini e/o lame presentanti la struttura 1 à ̈ da considerarsi ricompreso nell'ambito del presente concetto inventivo e quindi oggetto di tutela della presente relazione.
E' opportuno sottolineare che la struttura 1 presenta anche ottime capacità di dissipazione termica dovuta all'elevata conducibilità termica lungo l'asse della fibra.
Presenta inoltre una stabilità dimensionale generalmente superiore a quella dei principali materiali metallici quali acciaio, titanio e simili.
Il trovato, così concepito, à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.
Negli esempi di realizzazione illustrati singole caratteristiche, riportate in relazione a specifici esempi, potranno essere in realtà intercambiate con altre diverse caratteristiche, esistenti in altri esempi di realizzazione.
Inoltre à ̈ da notare che tutto quello che nel corso della procedura di ottenimento del brevetto si rivelasse essere già noto, si intende non essere rivendicato ed oggetto di stralcio (disclaimer) dalle rivendicazioni.
In pratica i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI * * * * 1)Struttura comprendente almeno uno strato (2) di un materiale composito caratterizzata dal fatto che comprende due facce ed à ̈ costituita da fibre di carbonio lunghe ed ordinate e matrice polimerica, in cui su almeno una faccia di detto strato (2) di materiale composito à ̈ fissata una lamina (3) di materiale autolubrificante, la superficie di incollaggio a detto strato (2) di materiale composito di detta lamina (3) essendo preventivamente sottoposta a trattamenti, di tipo sostanzialmente chimico di funzionalizzazione, per l'ottenimento di un'adesione permanente a detto strato (2) di materiale composito. 2)Struttura, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il materiale autolubrificante à ̈ costituito da un materiale del tipo del PTFE, politetrafluoretilene, funzionalizzato su almeno una sua superficie, preferibilmente caricato e/o combinato con altri materiali quali grafite, vetro e simili per indirizzarne le proprietà , cioà ̈ l'attitudine allo scorrimento/strisciamento su superfici (A) in materiali metallici, leghe metalliche e materiali ceramici. 3)Struttura, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che comprende una pluralità di strati (2) reciprocamente serrati con l'interposizione di rispettive lamine (3), eventualmente su entrambe le facce di ciascuno strato (2) di materiale composito essendo fissata una lamina (3) di materiale autolubrificante. 4) Struttura, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che presenta conformazione preferibilmente scelta tra quella tubolare, quella prismatica, quella cilindrica, quella tronco conica, quella sferica e simili. 5) Struttura, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che la lamina (3) di materiale autolubrificante ha spessore compreso tra 0,01 ed 1 mm, adottando preferibilmente spessori compresi tra 0,05 e 0,3 mm selezionati in tale forbice. 6) Procedimento per la preparazione della struttura (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti che consiste nel: a) stendere una lamina (3) di materiale autolubrificante su uno stampo con la faccia che costituisce l'almeno una superficie funzionalizzata di incollaggio al materiale composito posta all’esterno; b) stendere sulla faccia di incollaggio della detta lamina (3) almeno uno strato (2) di materiale comprendente fibre lunghe ed ordinate di carbonio ed una matrice, preferibilmente in forma di preimpregnato/prepreg, disposti secondo le direzioni predeterminate e fino allo spessore desiderato; c) sottoporre il manufatto ottenuto nella fase b) ad una pressione di compattazione dello strato 2 sulla lamina 3 per garantire che le superfici di contatto combacino perfettamente; d) solidificazione tramite temperatura, compresa tra 40°C e 500°C, e pressione superiore ad 1 Bar, al fine di ottenere una matrice del composito avente temperatura di transizione vetrosa sostanzialmente superiore a 80° C. 7) Procedimento, secondo la rivendicazione 6, che consiste nello, prima della fase di compattazione c), stendere sul materiale ottenuto nella fase b) almeno un'altra lamina (3) di materiale autolubrificante ed eventualmente almeno un altro strato (2), opportunamente alternati. 8) Procedimento, secondo la rivendicazione 6, che consiste nel sagomare/tagliare il manufatto secondo le forme, le dimensioni e le tolleranze richieste. 9) Componente meccanico comprendente almeno una struttura secondo una delle rivendicazioni 1-6.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS5595704A (en) * | 1979-01-16 | 1980-07-21 | Nippon Pillar Packing | Slide bearing |
| DE4113810A1 (de) * | 1990-09-14 | 1992-03-19 | Somar Corp | Ausgeformter gegenstand aus kohlenstoffaserverstaerktem harz und verfahren zu seiner herstellung |
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2010
- 2010-06-30 IT ITBO2010A000420A patent/IT1400654B1/it active
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DATABASE WPI Week 198036, Derwent World Patents Index; AN 1980-62970C, XP002633373 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IT1400654B1 (it) | 2013-06-28 |
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