ITBO20130215A1

ITBO20130215A1 - Componente in materiale composito per applicazioni in ambito automotive e metodo di produzione del detto componente in materiale composito

Info

Publication number: ITBO20130215A1
Application number: IT000215A
Authority: IT
Inventors: Andrea Bedeschi; Loris Giorgini; Laura Mazzocchetti
Original assignee: Univ Bologna Alma Mater; Ri Ba Composites S R L Con Unico Socio
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2014-11-11

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“COMPONENTE IN MATERIALE COMPOSITO PER APPLICAZIONI IN AMBITO AUTOMOTIVE E METODO DI PRODUZIONE DEL DETTO COMPONENTE IN MATERIALE COMPOSITO”

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione è relativa ad un componente in materiale composito a matrice polimerica per applicazioni in ambito automotive, ad un metodo di produzione di un componente in materiale composito per applicazioni in ambito automotive e all’uso dei derivati grafenici per arricchire una matrice polimerica per un componente in materiale composito per applicazioni nel settore automotive.

ARTE ANTERIORE

Sempre più di frequente in alcuni settori tecnologici si sceglie di utilizzare componenti realizzati in materiale composito che consentono di combinare buone prestazioni in termini di affidabilità ed una considerevole riduzione di peso dei componenti stessi.

Fra questi, anche nel settore automotive è sempre più forte l’esigenza di ridurre il peso dei diversi componenti allo scopo di ridurre i consumi e migliorare, al contempo, le prestazioni di un autoveicolo. Per questo motivo, da alcun anni trova ampia diffusione l’impiego dei materiali compositi a matrice polimerica sia per realizzare le parti estetiche (quali esempio gli interni dell’autoveicolo, sia alcune parti della carrozzeria come il cofano), sia per realizzare le parti strutturali (quali ad esempio, porzioni del telaio) di un autoveicolo.

Per quanto riguarda la produzione di componenti in materiale composito che vengano utilizzati su autoveicoli da strada, allo scopo di migliorare la sicurezza dell’autoveicolo si è continuamente alla ricerca di soluzioni che consentano di migliorare le caratteristiche meccaniche (come ad esempio l’allungamento a rottura) dei detti componenti senza però compromettere eccessivamente il peso ed i costi di produzione del componente stesso.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è di fornire un metodo di produzione di un componente in materiale composito per applicazioni in ambito automotive che sia esente dagli inconvenienti dello stato dell’arte e sia nel contempo di facile ed economica implementazione.

Ulteriore scopo della presente invenzione è di fornire un componente in materiale composito per applicazioni in ambito automotive che sia privo degli inconvenienti dello stato dell’arte e sia nel contempo di facile ed economica realizzazione.

Ulteriore scopo della presente invenzione è di fornire un uso dei derivati grafenici per arricchire una matrice polimerica per un componente in materiale composito per applicazioni nel settore automotive che sia esente dagli inconvenienti dello stato dell’arte e sia nel contempo di facile ed economica implementazione.

Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di produzione di un componente in materiale composito per applicazioni in ambito automotive secondo quanto rivendicato dalla rivendicazione 1 e da una qualsiasi delle rivendicazioni successive dipendenti dalla rivendicazione 1.

Secondo la presente invenzione viene fornito un componente in materiale composito per applicazioni in ambito automotive, secondo quanto rivendicato dalla rivendicazione 10.

Secondo la presente invenzione viene inoltre fornito un uso dei derivati grafenici per arricchire una matrice polimerica per un componente in materiale composito per applicazioni nel settore automotive secondo quanto rivendicato dalla rivendicazione 11.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella trattazione che segue verrà descritto un metodo di produzione di un componente in materiale composito.

Nella trattazione che segue si fa esplicito riferimento alla produzione di componenti utilizzati in ambito automotive sia per realizzare le parti estetiche (quali esempio gli interni dell’autoveicolo oppure alcune parti della carrozzeria, come ad esempio il cofano), sia per realizzare le parti strutturali (quali ad esempio, porzioni del telaio).

Il componente in materiale composito è realizzato a partire da fibre di carbonio e da un matrice polimerica.

Le fibre di carbonio possono essere, secondo forme di attuazione fra loro alternative, sia lunghe sia corte.

Nella trattazione che segue si fa esplicito riferimento alle matrici polimeriche e con tale denominazione si vuole indicare senza perdere di generalità sia una matrice polimerica termoindurente, ed in particolare le resine epossidiche, sia una matrice polimerica termoplastica.

In una fase preliminare alla produzione vera e propria del componente in materiale composito, la matrice polimerica viene arricchita aggiungendo dei derivati grafenici.

Con la denominazione derivati grafenici si vuole qui indicare sia il grafene, sia l’ossido di grafene.

Tale fase di arricchimento della matrice polimerica con derivati grafenici può avvenire secondo una prima variante ed in funzione della tecnologia utilizzata per la produzione del componente in materiale composito presso il produttore della matrice polimerica che fornisce quindi la matrice polimerica con i derivati grafenici al produttore del componente in materiale composito; secondo una seconda variante ed in funzione della tecnologia utilizzata per la produzione del componente in materiale composito, tale fase di arricchimento della matrice polimerica con derivati grafenici avviene direttamente presso il produttore del componente in materiale composito in una fase immediatamente precedente alla fase di produzione vera e propria del componente in materiale composito mediante le tecniche sopra descritte.

Secondo una preferita variante, il metodo di produzione del componente in materiale composito non prevede una fase di inserimento di nanotubi di carbonio nella matrice polimerica. Ovvero la matrice polimerica che viene utilizzata per la produzione del componente in materiale composito non presenta alcuna traccia di nanotubi di carbonio.

Secondo una prima forma di attuazione, il processo di ottenimento del componente in materiale composito è realizzato mediante infusione a trasferimento della matrice polimerica (tecnica nota anche come RTM - resin transfer moulding). La tecnologia RTM - resin transfer moulding (di tipo noto e non descritto in dettaglio) è realizzata mediante inserimento di una preforma di fibre di carbonio preordinate all’interno di uno stampo e la successiva infusione della matrice polimerica drogata con i derivati grafenici in determinate condizioni di pressione e temperatura.

Secondo una seconda forma di attuazione, il processo di ottenimento del componente in materiale composito è realizzato mediante pre-impregnazione delle fibre di carbonio con la matrice polimerica drogata con i derivati grafenici per ottenere i cosiddetti “pre-pregs” (di tipo noto e non descritto in dettaglio). In questo caso, chiaramente la fase di arricchimento della matrice polimerica con derivati grafenici avviene necessariamente presso il produttore dei cosiddetti “pre-pregs” che vengono successivamente forniti al produttore del componente in materiale composito.

Secondo una ulteriore forma di attuazione, il processo di ottenimento del componente in materiale composito è realizzato mediante una tecnica di avvolgimento nota come ”filament-winding” (di tipo noto e non descritto in dettaglio) in cui le fibre di carbonio secche vengono svolte da un rocchetto ed immerse in un bagno contenente la matrice polimerica drogata con i derivati grafenici. A questo punto la fibra impregnata con la matrice polimerica drogata con i derivati grafenici viene nuovamente avvolta su un rocchetto mediante un mandrino in rotazione.

Secondo una ulteriore forma di attuazione, il processo di ottenimento del componente in materiale composito è realizzato mediante la tecnica nota come “press-molding” (di tipo noto e non descritto in dettaglio) di fibre corte di carbonio preimpregnate con la matrice polimerica drogata con i derivati grafenici. Anche in questo caso, al produttore del componente in materiale composito vengono messi a disposizione dei prodotti intermedi in cui le fibre corte di carbonio sono preimpregnate con la matrice polimerica drogata con derivati grafenici da utilizzare per la produzione del componente in materiale composito.

Si è verificato sperimentalmente che un determinato apporto di derivati grafenici consente di migliorare notevolmente le caratteristiche meccaniche del detto componente in materiale composito.

Si è verificato sperimentalmente che per migliorare le caratteristiche meccaniche del detto componente in materiale composito, la matrice polimerica deve presentare una concentrazione di derivati grafenici inferiore o uguale a 1,5 %.

Secondo una preferita variante la matrice polimerica presenta una concentrazione di derivati grafenici inferiore allo 0,4%, preferibilmente inferiore allo 0.1%.

Si è verificato sperimentalmente che l’aggiunta di derivati grafenici alla matrice polimerica per la produzione del componente in materiale composito nelle percentuali sopra indicate consente di raggiungere i seguenti obiettivi:

- aumento della temperatura di transizione vetrosa (Tg) che rappresenta la temperatura al di sopra delle quali le matrici polimeriche rammolliscono, permettendo una elevata deformabilità; a questo proposito è stato verificato sperimentalmente che la temperatura di transizione vetrosa (Tg) della matrice polimerica drogata con i derivati grafenici è superiore di circa 20 – 25°C rispetto alla temperatura di transizione vetrosa (Tg) della stessa matrice polimerica non drogata con i derivati grafenici; - aumento dell’allungamento a rottura del componente in materiale composito; a questo proposito è stato verificato sperimentalmente che l’allungamento a rottura in caso di matrice polimerica drogata con i derivati grafenici è pari a circa quattro volte l’allungamento a rottura nel caso della stessa matrice polimerica non drogata con i derivati grafenici;

- aumento della resistenza interlaminare (interlaminar stress) del materiale composito e, di conseguenza, riduzione della tendenza a scorrere dei diversi strati che compongono il materiale composito;

- riduzione del calore prodotto nel successivo processo di polimerizzazione della matrice polimerica nel caso in cui la matrice polimerica sia drogata con alcuni dei derivati grafenici.

E’ importante evidenziare che si è inoltre verificato che tutti questi miglioramenti delle caratteristiche meccaniche del componente in materiale composito possono essere raggiunti senza compromettere il modulo elastico del materiale composito stesso.

Inoltre, è altresì importante sottolineare che i derivati grafenici sono materiali i cui costi di produzione non sono eccessivamente elevati e che, al contempo presentano una ottima capacità di dispersione all’interno della matrice polimerica.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, risulterà evidente ad un tecnico del settore, che le considerazioni che sono state effettuate nella trattazione che precede per la produzione di componenti utilizzati in ambito automotive si possono applicare anche a componenti per altre tipologie di utilizzo al di fuori dell’ambito automotive.

Ad esempio, il metodo di produzione descritto nella trattazione che precede può trovare vantaggiosa applicazione nella produzione di componenti strutturali per applicazioni ad elevate potenze di esercizio, ad esempio per macchine movimento terra oppure per applicazioni nel settore nautico o aeronautico.

Claims

RIVENDICAZIONI 1.- Metodo di produzione di un componente in materiale composito per applicazioni in ambito automotive; in cui il metodo prevede di ottenere il componente in materiale composito a partire da fibre di carbonio e da una matrice polimerica; ed in cui il metodo è caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di aggiungere un derivato grafenico alla matrice polimerica in modo tale che la matrice polimerica presenti una concentrazione di derivati grafenici inferiore o uguale a 1,5 % per migliorare le caratteristiche meccaniche del detto componente in materiale composito. 2.- Metodo di produzione secondo la rivendicazione 1, in cui la matrice polimerica presenta una concentrazione di derivati grafenici inferiore o uguale allo 0,4%. 3.- Metodo di produzione secondo la rivendicazione 1, in cui la matrice polimerica presenta una concentrazione di derivati grafenici inferiore o uguale allo 0,1%. 4.- Metodo di produzione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la matrice polimerica è alternativamente una resina termoplastica oppure una resina termoindurente. 5.- Metodo di produzione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui non è prevista una fase di inserimento di nanotubi di carbonio nella matrice polimerica; ovvero la matrice polimerica non presenta traccia di nanotubi di carbonio. 6.- Metodo di produzione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i derivati grafenici comprendono grafene e/o ossido di grafene. 7.- Metodo di produzione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il processo di ottenimento del componente in materiale composito è realizzato mediante infusione a trasferimento della matrice polimerica (resin transfer moulding). 8.- Metodo di produzione secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui il processo di ottenimento del componente in materiale composito è realizzato mediante pre-impregnazione delle fibre di carbonio con la matrice polimerica. 9.- Metodo di produzione secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui il processo di ottenimento del componente in materiale composito è realizzato mediante una tecnica scelta fra: filament winding oppure press molding di fibre corte di carbonio. 10.- Componente in materiale composito per applicazioni nel settore automotive realizzato secondo il metodo di produzione rivendicato in una o più delle rivendicazioni da 1 a 9. 11.- Uso dei derivati grafenici per arricchire una matrice polimerica per un componente in materiale composito per applicazioni nel settore automotive; in cui la matrice polimerica presenta una concentrazione di derivati grafenici inferiore o uguale a 1,5 % per migliorare le caratteristiche meccaniche del detto componente.