ITMI20011500A1 - Procedimento per la formatura di profilati pultrusi in particolare per la produzione di elementi di rinforzo per vele e simili - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo “PROCEDIMENTO PER LA FORMATURA DI PROFILATI PULTRUSI IN PARTICOLARE PER LA PRODUZIONE DI ELEMENTI DI RINFORZO

PER VELE E SIMILI.”.

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un procedimento per la formatura di profilati realizzati in materiale composito ed ottenuti tramite processo di pultrusione.

In particolare il metodo è particolarmente adatto alla produzione di elementi di rinforzo o stecche per vele di imbarcazioni e simili.

Come è noto, si sono recentemente sempre più diffusi semilavorati realizzati in materiale plastico e rinforzati con fibre quali vetro, carbonio ed altre per i più svariati impieghi nei diversi settori produttivi.

La produzione di profilati in materiale composito è oggi ottenuta con diverse tecnologie, una delle quali, la pultrusione, si è affermata negli ultimi anni trovando largo impiego.

Il semilavorato ottenuto per pultrusione si presenta costituito da una matrice in materiale plastico in cui è annegata una struttura meccanicamente resistente, generalmente formata da fibre continue, mat, tessuto, rowing di materiale avente buone caratteristiche meccaniche.

In particolare, nel processo di pultrusione le fibre vengono svolte in continuo da una stazione di alimentazione e portate verso una o più vasche contenenti una resina plastica. Le fibre vengono quindi immerse nelle vasche per essere impregnate con la citata resina. Successivamente, le fibre impregnate vengono portate in una o più stazioni di regolazione in cui vengono strizzate ad esempio da appositi rulli allo scopo di regolare la quantità di resina che imbeve le fibre e che andrà a costituire la matrice plastica del profilato. A questo punto, le fibre vengono fatte passare attraverso una stazione di formatura atta a definire il profilo, generalmente a sezione costante, del semilavorato. In maggiore dettaglio, le fibre impregnate vengono tirate attraverso una luce o testa di pultrusione, la quale è sagomata in base alla forma che deve essere conferita al profilato stesso. Ad esempio, nel caso in cui si vogliono ottenere profilati a sezione costante aventi conformazione tubolare, viene predisposta una testa di pultrusione costituita da un'apertura opportunamente dimensionata avente sviluppo anulare.

Generalmente, in corrispondenza della stazione di formatura viene disposto anche un polimerizzatore per consentire di solidificare la resina stessa che si trovava nelle vasche di impregnazione allo stato liquido.

In questa fase viene quindi ottenuto un semilavorato continuo a sezione costante presentante struttura rigida o quantomeno una stabilità strutturale.

Infine, il semilavorato continuo viene tagliato trasversalmente per ottenere una pluralità di profilati discreti di prefissata lunghezza. Ovviamente può anche essere prevista una ulteriore fase di lavorazione o di finitura in cui il semilavorato viene ulteriormente lavorato superficialmente, ad esempio per asportazione di materiale od anche subisce opportune modifiche per consentire la definizione di strutture di impegno atte a consentire il vincolo ad altri profilati. Va rilevato che, date le caratteristiche di viscosità necessarie per ottenere un'ottimale impregnazione e quindi un prodotto finito di buona qualità, le resine ad oggi adatte ed utilizzate per il processo di pultrusione sono resine termoindurenti: infatti, i materiali termoindurenti possono essere portati allo stato fluido e risultano essere caratterizzati da una bassa viscosità e quindi hanno il vantaggio di impregnare omogeneamente le fibre.

Tuttavia, i materiali termoindurenti presentano il grosso inconveniente di non essere deformabili una volta che gli stessi vengono polimerizzati.

Infatti, data la natura chimico-fisica di tali materiali, una volta polimerizzata la resina, non è possibile riportarla allo stato liquido e nemmeno in uno stato plastico per poter deformare successivamente alla pultrusione il semilavorato previamente realizzato.

In altre parole, la matrice del manufatto, per azione del colore e/o di catalizzatori e/o agenti indurenti reattivi e/o radiazioni subisce una reazione di reticolazione che porta in modo irreversibile la resina liquida in uno stato indurito in cui il termoindurente non può più subire rammollimento per effetto termico.

In questa situazione, risulta quindi impossibile conferire una particolare forma al profilato pultruso mediante deformazione plastica, una volta che lo stesso è stato polimerizzato. Conseguentemente, nel caso in cui si voglia produrre un profilato avente sezione non costante, esso dovrebbe subire fasi addizionali di lavorazione quali ad esempio fresatura o tornitura o comunque operazioni per asportazione di materiale che per loro stessa natura comportano, specialmente in un materiale composito, un indebolimento strutturale, con conseguente perdita di caratteristiche meccaniche legate ad esempio allo sfilacciamento delle fibre annegate nella resina termoindurente. Ne deriva inoltre, che le fasi addizionali di lavorazione cui deve essere necessariamente soggetto il semilavorato, determinano un aggravio notevole dei costi di produzione del profilato finito.

Il problema legato all'impossibilità di termoformare per stampaggio il profilato pultruso è particolarmente sentito in diversi settori ed in particolare nella produzione delle stecche di rinforzo per vele di imbarcazioni e simili.

E' noto infatti nel settore nautico l'utilizzo di elementi di rinforzo o stecche che vengono associate tramite le opportune sedi alle vele di imbarcazioni per consentire il mantenimento di una determinata geometria ottimale della vela.

In particolare le stecche sopra citate vengono inserite in sedi o tasche ricavate sulle vele in maniera da essere posizionate distanziate e parallele tra loro e generalmente, ma non necessariamente, giacenti in un piano orizzontale in condizione di normale utilizzo della vela.

Le stecche così inserite e rese solidali alla struttura della vela (generalmente vincolate alla vela stessa in maniera tale da risultare precompresse ed assumere un andamento lievemente incurvato) consentono di mantenere una geometria desiderata adatta a migliorare le prestazioni e le risposte aerodinamiche dell'imbarcazione.

È chiaro altresì che tali stecche consentono anche di irrigidire e irrobustire la struttura della vela stessa.

Va poi notato che le stecche associate alle vele sono sottoposte, in condizioni d'uso, a notevoli sforzi che vengono direttamente trasmessi dal vento alla vela e quindi alle stecche stesse.

L’uso stesso della vela comporta peraltro che, a seguito dell’inversione della superficie della vela destinata a ricevere la spinta del vento , ma anche a seguito di improvvise raffiche o in presenza di forti sollecitazioni, le stecche precompresse e quindi incurvate secondo una prefissata direzione siano sottoposte a forze tali da comportare un'inversione repentina della curvatura dell'asse. L’inversione di curvatura comporta ovviamente sforzi interni nelle stecche di rinforzo che possono addirittura comportare la rottura delle stesse.

Risulta evidente pertanto che le stecche per vele dovranno possedere notevoli caratteristiche di resistenza meccanica agli sforzi abbinate ovviamente ai necessari requisiti di leggerezza richiesti.

In questa situazione si è rivelato ottimale l'uso di stecche di rinforzo realizzate in materiale composito.

È chiaro che gli attuali procedimenti di estrusione e/o pultrusione di materiali compositi consentono di ottenere sostanzialmente profilati dotati di una sezione costante.

Recentemente si è tuttavia sentita l'esigenza di poter regolare le proprietà elastiche delle stecche associate alle vele lungo il loro sviluppo longitudinale.

In particolare è un'esigenza poter avere diverse rigidità flessionali dei rinforzi a diverse distanze dall' albero che sostiene la vela stessa.

Ad oggi i procedimenti di pultrusione non consentono di ottenere stecche che rispondano ai più recenti requisiti richiesti.

In questa situazione, lo scopo fondamentale della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un procedimento per la formatura di profilati pultrusi realizzati in materiale composito che sia in grado di superare gli inconvenienti citati.

In particolare, uno scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un procedimento che consenta di formare profilati che possano essere deformati successivamente alla pultrusione.

In maggiore dettaglio, è uno scopo della presente invenzione mettere a disposizione un procedimento per realizzare profilati pultrusi aventi sezione variabile lungo il loro sviluppo longitudinale, senza tuttavia danneggiare le fibre annegate nella resina plastica e pertanto mantenendo integre le proprietà meccaniche del materiale composito.

Un ulteriore scopo è quello di mettere a disposizione un procedimento che consenta di produrre profilati per pultrusione ed eventualmente ottenere un prodotto finito presentante una matrice in resina plastica avente caratteristiche fisico-chimiche di resina termoindurente.

Infine, un altro importante scopo dell'invenzione è quello di mettere a disposizione un procedimento per la realizzazione di stecche di rinforzo per vele, in cui le stecche presentino sezione tubolare e conformazione longitudinale rastremata, ovvero proprietà elastiche differenti lungo lo sviluppo assiale del profilato.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un procedimento per la formatura di profilati pultrusi realizzati in materiale composito, e da un procedimento per realizzare stecche di rinforzo per vele secondo quanto descritto in una o più delle unite rivendicazioni.

Viene ora riportata, la descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un procedimento per la formatura di profilati pultrusi in materiale composito in particolare per ottenere elementi di rinforzo per vele, in accordo con il presente trovato. La descrizione che segue verrà effettuata con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e pertanto non limitativo, nei quali:

- la figura 1 mostra esemplificativamente e schematicamente una linea di produzione per la formatura di profilati secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra una vista in prospettiva parzialmente sezionata di un possibile stampo o pressa, illustrato schematicamente in figura 1 , ed utilizzabile secondo l’invenzione;

- la figura 3 mostra in vista prospettica un possibile profilato (o un possibile elemento di rinforzo) ottenuto in accordo con l’invenzione; - le figure 4 e 5 mostrano sezioni trasversali del profilato di figura 3 in corrispondenza dei piani IV-IV e V-V; e

- la figura 6 mostra in vista schematica il possibile posizionamento di stecche di rinforzo all’interno del corpo vela.

Il procedimento secondo l'invenzione prevede in primo luogo la predisposizione di un prefissato numero di fibre continue di rinforzo 1 in una stazione di alimentazione 2.

Dal punto di vista strutturale le fibre 1 sono costituite da fibra di vetro, fibra aramidica, fibra di carbonio o altro ancora. Si noti che le fibre 1 potrebbero eventualmente anche comprendere una combinazione di fibre continue parallele realizzate in materiali diversi ad esempio fibre termoplastiche.

Osservando la figura 1 , si nota come i filamenti vengano svolti in modo continuo dalla stazione di alimentazione 2 e fatti avanzare verso uno o più eventuali dispositivi o griglie di guida 3. Le guide 3 sono predisposte a guidare la fibra 1 verso la stazione di impregnazione 4.

La stazione di impregnazione 4 è costituita ad esempio da una o più vasche 5 contenenti una resina plastica allo stato liquido 6 che vantaggiosamente sarà definita da una resina presentante un comportamento termoplastico. Le fibre 1 vengono quindi opportunamente guidate ad immergersi in detta vasca 5 per essere impregnate con la resina termoplastica 6.

Successivamente, le fibre 1 impregnate vengono fatte passare attraverso una stazione di regolazione della resina (ad esempio rulli di strizzaggio 7) che, comprimendo le fibre 1 impregnate, regolano la quantità di resina 6 che le imbeve e che costituirà la matrice plastica del profilato.

Vantaggiosamente, benché in maniera del tutto preferenziale (come illustrato in figura 1), possono essere previsti più rulli 7 disposti accostati l'un con l'altro, in modo tale da comprimere più volte la fibra impregnata 1.

Dopo le fasi di strizzatura, la fibra impregnata 1 viene preformata in una stazione di pultrusione 8.

In dettaglio, la resina 6 contenente le fibre 1 viene fatta passare attraverso una testa di pultrusione o trafila presentante una luce atta a conferire il profilo desiderato all’insieme resina 6 più fibre. Ad esempio, nel caso in cui si voglia ottenere un profilato avente sezione di sviluppo tubolare (del tipo illustrato esemplificativamente in figura 2), la resina 6 contenente le fibre 1 viene tirata attraverso una testa di pultrusione avente una luce a sagoma anulare delle dimensioni opportune.

In corrispondenza o immediatamente a valle della testa di pultrusione operano preferibilmente mezzi di raffreddamento, ad esempio costituiti da lampade o da altri dispositivi ancora, i quali determinano una solidificazione o consolidamento della resina termoplastica 6 contenente le fibre 1 che raggiunge in tal modo una struttura rigida o semi-rigida ovvero dotata di stabilità strutturale consentendo l'ottenimento di un profilato semilavorato pultruso continuo 11.

Il semilavorato 11 viene movimentato da uno o più gruppi di trascinamento 12 di tipo noto e pertanto non ulteriormente descritti, i quali sono disposti a valle dei mezzi di raffreddamento 10. I gruppi di trascinamento 12 sono predisposti a movimentare il semilavorato continuo 11 verso una stazione di taglio 13.

Il semilavorato 11 viene quindi tagliato trasversalmente nella stazione di taglio 13 per ottenere una pluralità di profilati discreti 17 di prefissata lunghezza.

Successivamente, ogni profilato 17, viene deformato per stampaggio in corrispondenza di una stazione di formatura 14.

Alternativamente, la fase di deformazione per stampaggio del semilavorato 11 può anche essere effettuata precedentemente alla fase di taglio trasversale. In questo caso la stazione di formatura 14 sarà disposta subito a valle dei gruppi di trascinamento 12 ed il semilavorato 11 verrà deformato in continuo.

In particolare, la stazione di formatura 14 è costituita da uno stampo o pressa 15 (meglio illustrato in figura 2) predisposto a schiacciare il semilavorato e conformarlo a seconda della forma che si vuole ottenere.

In maggiore dettaglio e come illustrato nelle unite figure, nel caso si desideri ottenere un profilato tubolare rastremato 16, la resina termoplastica 6 contenente la fibra 1 viene preformata ottenendo il semilavorato pultruso 11 a sviluppo tubolare con sezione costante. Successivamente, ogni profilato tubolare 17 ottenuto nella fase di taglio trasversale viene introdotto nello stampo o pressa 15 che provvede a deformare almeno una porzione del profilato stesso 17. Più in particolare, lo stampo o la pressa 15 schiaccia da una estremità 16b all’altra 16a il profilato 17 in modo tale da variare con continuità la sezione trasversale dello stesso lungo l’asse di sviluppo.

Come illustrato in figura 2, lo stampo 15 potrà presentare delle superfici interne opportunamente controsagomate al profilato tubolare rastremato 16 che si intende ottenere e potrà comprimere solo l'estremità 16a del profilato 17 e la zona prossima a tale estremità oppure l'intero corpo lungo lo sviluppo longitudinale.

Preferibilmente, la citata fase di formatura viene effettuata a caldo (termoformatura) per portare il semilavorato 17 da una condizione di struttura rigida ad una condizione plastica e facilitarne quindi la deformazione. Vantaggiosamente (ma non necessariamente), in questa situazione lo stampo o pressa 15 viene predisposto anche a scaldare direttamente il semilavorato 17 per permetterne la formatura.

In altre parole, si noti come la possibilità di deformare per stampaggio o pressatura il semilavorato successivamente alla pultrusione sia sostanzialmente dato dalla presenza di una matrice in materiale termoplastico.

Risulta altresì assai evidente come il procedimento sopra descritto possa essere in particolare attuato per la realizzazione di elementi di rinforzo o stecche da impiegarsi in velature di imbarcazioni.

In tale ipotesi infatti si predispone un profilato di sezione tubolare costante delle opportune dimensioni il quale viene successivamente sottoposto alle sopra descritte fasi di deformazione per stampaggio. In particolare sì potrà prevedere uno stampo o una pressa conformati in maniera tale da schiacciare progressivamente il profilato tubolare lungo il suo asse ottenendo una stecca del tipo illustrato in figura 3.

Come si può notare dalle sezioni riportate nelle figure 4 e 5 relative alle estremità contrapposte della stecca, quest’ultìma presenta una prima estremità con sezione schiacciata (figura 4) a seguito di uno schiacciamento maggiore attuato dallo stampo o pressa.

Presenterà invece in corrispondenza dell’altra estremità una sezione invariate rispetto alla sagoma originaria o comunque deformata in maniera minore rispetto alla sezione all’estremità opposta (figura 5).

In particolare le due sezioni differiranno nelle loro dimensioni indicate con i riferimenti l, l, h ed h’.

In particolare come mostrano le sezioni di figure 4 e 5, l’estremità che ha subito le deformazioni maggiori potrà presentare un rapporto elevato tra le dimensioni! ed h; viceversa la sezione che avrà subito la deformazioni minore presenterà un rapporto dimensionale inferiore.

In figura 6 è poi mostrata in forma estremamente schematica una vela di un'imbarcazione che incorpora un prefissato numero di elementi di rinforzo o stecche tutte disposte parallelamente tra loro e giacenti in un piano sostanzialmente orizzontale in condizione di normale utilizzo della vela.

Le stecche ottenute in accordo con il metodo precedentemente descritto presentano ovviamente proprietà elastiche differenziate lungo l'asse del manufatto proprio a seguito delle variazioni di sezione dell’elemento di rinforzo lungo il suo sviluppo.

Va a questo punto notato che la resina termoplastica costituente il profilato da deformare può essere scelta tra resine suscettibili di essere reticolate, ossia di assumere per reticolazione una struttura ed un comportamento di resina termoindurente.

Nel caso in cui si scelgano resine di questo tipo, ossia resine termoplastiche reticolabili, quali ad esempio le resine fenoliche novolacche, può essere prevista una fase di reticolazione per trasformare le matrici in resina termoplastica delle stecche in corrispondenti matrici in resina termoindurente.

Vista la natura del procedimento di formatura sopra descritto, è evidente che tale fase di reticolazione verrà effettuata solo successivamente alla fase di innalzamento termico e di deformazione mediante stampaggio del semilavorato pultruso.

Dal punto di vista pratico è possibile che la fase di reticolazione della resina termoplastica costituente la matrice dell’elemento di rinforzo avvenga anch’essa per innalzamento termico ad una temperatura maggiore alla temperatura necessaria per portare in fase plastica o fluida la matrice termoplastica.

Altresì potrà essere previsto che alla resina plastica di tipo termoplastico venga associato un opportuno agente reticolante capace di intervenire per determinare l’azione di reticolazione alla temperatura superiore così che si ottenga, per progressivo innalzamento termico, sia il passaggio alio stato fluido/plastico della resina termoplastica necessario per poter effettuare la deformazione per stampaggio, sia la successiva reticolazione che porta la resina allo stato di resina termoindurente.

La presente invenzione consegue importanti vantaggi.

In primo luogo va notato che sfruttando le proprietà termoplastiche dei profilato pultruso si è messo a disposizione un processo di deformazione per stampaggio, particolarmente per ottenere elementi di rinforzo associabili a vele di imbarcazioni, estremamente efficace, di semplice attuazione, e capace di produrre prodotti di elevate proprietà meccaniche, di peso estremamente contenuto e di basso costo.

Va anche notato che il procedimento oggetto dell'invenzione consente eventualmente di realizzare prodotti finiti, partendo da profilati pultrusi, presentanti matrici in resina plastica termoindurente senza con questo avere gli inconvenienti tipici derivanti dall'impossibilità di deformare per stampaggio profilati aventi matrice in resina plastica termoindurente.

Dal punto di vista della qualità del prodotto ottenuto, è possibile ottenere elementi di rinforzo per vele che siano dotati di una sezione variabile lungo l’asse di sviluppo del profilato di fatto mettendo a disposizione prodotti dalle prestazioni meccaniche spinte particolarmente adatti a tale impiego.

Va altresì notato, dal punto di vista della qualità del prodotto ottenuto, come sia possibile ottenere l’elemento di rinforzo senza di fatto creare alcuna discontinuità strutturale, indebolimento, o altra lavorazione mantenendo di fatto le fibre orientate secondo direzioni preferenziali ed evitando altresì qualunque tipo di inestetismo.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la formatura di profilati in materiale composito, in particolare per la realizzazione di elementi di rinforzo o stecche per vele, comprendente le fasi di: - svolgere una prefissata fibra (1) continua; - impregnare detta fibra (1) in una resina plastica (6) con comportamento termoplastico; preformare per pultrusione detta resina termoplastica (6) contenente la fibra (1); e - consolidare la resina termoplastica (6) contenente detta fibra (1) per ottenere un profilato pultruso continuo (11 ); caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una fase di deformare per stampaggio detto profilato pultruso.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta fase di deformare il profilato per stampaggio viene attuata per deformazione a caldo di detto profilato pultruso.
3. 3 . Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di deformare per stampaggio il profilato viene attuata mediante opportuna compressione del profilato con un apposito stampo o pressa di sagomatura (15).
4. 4 . Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di preformare per pultrusione la resina termoplastica (6) contenente detta fibra (1) viene effettuata ottenendo un profilato pultruso continuo (11) avente sezione tubolare.
5. 5 . Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta fase di deformare per stampaggio detto profilato pultruso comprende la fase di deformare almeno una porzione di detto profilato per ottenere un profilato avente sezione trasversale variabile lungo il proprio sviluppo.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta fase di deformare il profilato è ottenuta per schiacciamento progressivo da una estremità all'altra di detto profilato tubolare mediante un apposito stampo o pressa (15) per ottenere un profilato tubolare di sagoma longitudinale rastremata (16).
7. 7 . Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende una fase di reticolazione della resina plastica (6) per trasformare il profilato con comportamento termoplastico in un profilato a comportamento termoindurente.
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta fase di reticolazione viene effettuata mediante un'attivazione di un catalizzatore per trasformare il semilavorato termoplastico in un semilavorato termoindurente.
9. 9 . Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre la fase di tagliare trasversalmente il profilato pultruso continuo (11) per ottenere una pluralità dì profilati discreti (17) di prefissata lunghezza.
10. 10. Procedimento per la realizzazione di stecche di rinforzo per vele comprendente le fasi di: - svolgere una prefissata fibra continua (1); - impregnare detta fibra in una resina plastica (6) con comportamento termoplastico; preformare per pultrusione detta resina termoplastica (6) contenente la fibra (1) per ottenere un profilato continuo (11) sostanzialmente tubolare; e - consolidare la resina termoplastica (6) contenente detta fibra (1); - preferibilmente tagliare trasversalmente detto profilato tubolare continuo (11) per ottenere almeno un profilato tubolare di prefissata lunghezza (16); caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una fase di deformare per stampaggio a caldo almeno una porzione di detto profilato tubolare (16) per ottenere una stecca di rinforzo per vele di sagoma longitudinale rastremata.
11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che comprende una fase di reticolazione della resina plastica ( 6 ) per trasformare l’elemento di rinforzo con matrice a comportamento termoplastico in un elemento di rinforzo con matrice a comportamento termoindurente.