ITMI20091999A1 - Cavo in fibre sintetiche per tirante strutturale e relativo metodo di realizzazione - Google Patents
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Description
Descrizione di una domanda di brevetto per invenzione industriale
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un cavo in fibre sintetiche per tirante strutturale ed al relativo metodo di realizzazione.
Da anni ormai si è affermato l’utilizzo di cavi in fibra sintetica in sostituzione dei cavo in acciaio o dei tondini in acciaio per tiranti strutturali, quali ad esempio le sartie di sostegno degli alberi di imbarcazioni a vela.
Tali cavi in fibra sintetica consentono significativi risparmi di peso rispetto ai cavi in acciaio, con significativi vantaggi in termini di prestazioni dell’imbarcazione.
Tali cavi possono essere realizzati con diverse tecnologie produttive.
Un cavo in avvolgimento filamentare è ottenuto tramite avvolgimento di un filo di materiale sintetico - che può essere a fibre parallele oppure ritorto, di dimensioni e materiali variabili -attorno a due terminali, fissati ad una distanza predeterminata e pari a quella desiderata per il cavo da realizzare, a formare un anello che circoscrive le gole dei due terminali. Il filo viene avvolto varie volte fino ad arrivare ad una grammatura di materiale sufficiente a supportare gli sforzi assiali per i quali il cavo è stato progettato. Le estremità del filo vengono ancorate ai due terminali o congiunte fra loro in modo da chiudere l’anello e rendere il cavo in grado di supportare un carico di trazione assiale. I due fasci di fibre che costituiscono l’anello vengono riuniti fra loro ed inglobati in una guaina di protezione. I terminali del cavo vengono poi stampati con un materiale plastico o gomma che sigilla e protegge le fibre nella zona non ricoperta dalla guaina protettiva.
Questo tipo di tecnologia costruttiva permette di ottenere eccellenti risultati prestazionali ma è caratterizzato da elevati costi realizzativi. Il materiale più frequentemente utilizzato per questa tecnologia è lo Zylon®, nome commerciale della fibra PBO, abbreviazione di poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole), prodotta dalla società Giapponese Toyobo. L’elevata sensibilità di questo materiale alla luce ed all’umidità, nonché una limitata resistenza alla fatica, possono costituire serio limite alla durata e all’affidabilità di questi cavi specialmente in uso marino o in altri ambienti particolarmente aggressivi, richiedendo una frequente ed onerosa sostituzione.
Recentemente sono comparsi sul mercati alcuni sartiami realizzati con cavi costituiti da fasci di bacchette composite pultruse in carbonio. Questi sistemi consentono prestazioni elevate, garantiscono buone prospettive di longevità, ma mantengono un costo elevato ed alcuni problemi relativi alla relativa fragilità agli impatti ed alla flessioni tipici dei compositi rigidi, rendendone sconsigliato l’utilizzo in talune applicazioni soggette a maggior abuso durante l’utilizzo quali il sartiame volante di poppa, stralli di prua e stralli avvolgibili.
Esiste una ulteriore tecnologia costruttiva di cavi ottenuti attraverso un processo di trecciatura di un numero variabile di trefoli, ciascuno dei quali ottenuto per abbinamento e torcitura di un fascio di fili di materiale sintetico ad alta tenacità. Questo tipo di tecnologia costruttiva, seppur caratterizzata da prestazioni leggermente inferiori alla precedente, consente una maggior versatilità di utilizzo e costi molto più contenuti. Tra i vari materiali generalmente utilizzati, i più frequenti sono il suddetto Zylon® e quello commercialmente noto con il nome di Dyneema® prodotto dalla società Royal DSM N.V. (prevalentemente nelle sue versioni contraddistinte dalla sigle SK 75 ed SK 78). Lo Zylon® è caratterizzato da elevato modulo elastico ma lamenta i sopracitati problemi di affidabilità, mentre il Dyneema® SK75 ed SK78 a fronte di una elevata durata ed affidabilità sconta un modulo elastico sensibilmente più basso che impone l’adozione di cavi di diametro considerevolmente superiore rispetto sia all’acciaio che allo Zylon®, con potenziali effetti negativi sulla resistenza aereodinamica.
Compito tecnico che si propone la presente invenzione è, pertanto, quello di realizzare un cavo in fibre sintetiche per tirante strutturale ed un metodo per la sua realizzazione che consentano di eliminare gli inconvenienti tecnici lamentati della tecnica nota.
Nell’ambito di questo compito tecnico uno scopo dell’invenzione è quello di realizzare un cavo in fibre sintetiche per tirante strutturale ad elevate prestazioni ed allo stesso tempo ad elevata affidabilità e longevità.
Un altro scopo dell’invenzione è quello di realizzare un cavo in fibre sintetiche per tirante strutturale che risulti leggero, economico ed estremamente versatile nel suo utilizzo.
Il compito tecnico, nonché questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un cavo in fibre sintetiche per tirante strutturale ed un metodo per la sua realizzazione secondo le rivendicazioni indipendenti di seguito riportate.
Altre caratteristiche della presente invenzione sono definite, inoltre, nelle rivendicazioni successive.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di forme di esecuzione preferita ma non esclusiva del cavo in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo il trovato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati, in cui:
figura 1 mostra una sezione di un cavo conforme all’invenzione ottenuto tramite avvolgimento filamentare;
figura 2 mostra un cavo conforme all’invenzione ottenuto tramite trecciatura di trefoli;
le figure 3a e 3b mostrano varianti nella disposizione delle prime e seconde fibre nella sezione del trefolo che può essere utilizzato come costituente base sia del cavo di figura 1 sia del cavo di figura 2.
Con riferimento alle figure, il cavo 1 in fibre sintetiche per tirante strutturale comprende prime fibre sintetiche 2 in polietilene a modulo ultra alto in miscela con seconde fibre sintetiche 3 presentanti una bassa tendenza allo scorrimento viscoplastico (fenomeno altrimenti noto come creep) per la stabilizzazione statica delle prime fibre sintetiche 2.
Le prime fibre sintetiche 2 a modulo ultra alto (definite in gergo con l’acronimo UHMWPE , vale a dire Ultra High Molecular Weight PolyEthylene) presentano modulo elastico nominale non inferiore a 1290 cN/dTex.
Le prime fibre sintetiche 2 sono presenti in un intervallo tra 50 e 95% in peso o volume rispetto al totale delle prime e seconde fibre sintetiche 2 e 3.
Le prime fibre sintetiche 2 preferibilmente sono in un materiale avente tenacità pari a circa 39 cN/dTex, modulo elastico compreso tra 1375 e 1435 cN/dTex, temperatura di fusione compresa tra 144 e 152 °C, e densità pari a 0,97 g/cm3.
Ad un materiale con tali proprietà per le prime fibre sintetiche 2 corrisponde quello commercialmente noto con il nome di Dyneema® SK 90.
Le seconde fibre sintetiche 3 sono preferibilmente anch’esse ad elevate prestazioni, e presentano preferibilmente un modulo elastico inferiore o di poco superiore alle prime fibre sintetiche 2. Le seconde fibre sintetiche 3 possono essere fibre di PBO, ad esempio fibre in Zylon® AS ed HM (con tenacità pari a circa 37 cN/dTex, modulo elastico da 1150 a 1720 cN/dTex a seconda del tipo, temperatura di decomposizione pari a 650°C, e densità pari a 1,54 g/cm3), o fibre di carbonio a basso o medio modulo, ad esempio fibre in carbonio a modulo non superiore a 290 GPa, o fibre aramidiche, ad esempio fibre in Kevlar® (prodotto da E. I. du Pont de Nemours and Co.), in Twaron® (prodotto da Teijin Aramid BV), in Technora® prodotto da Teijin Limited) ed affini, o fibre in poliestere-poliarilato, ad esempio fibre Vectran® (prodotto da Kuraray Co.).
Il cavo per tirante strutturale della presente invenzione garantisce prestazioni ottimali risultanti dalla combinazione sinergica dell’elevato modulo elastico conferito dalle prime fibre sintetiche 2, e dalla limitata tendenza allo scorrimento viscoso conferita dalle seconde fibre sintetiche 3 che incoraggiano fortemente l’uso del cavo anche in applicazioni soggette a carichi statici prolungati nel tempo, quali ad esempio i sistemi di sartiame.
L’uso del cavo conforme all’invenzione in ambito nautico o anche in altro ambito in applicazioni soggette a carico costante diventa quindi particolarmente conveniente.
Il cavo per tirante strutturale dell’invenzione, oltre a presentare come visto una incrementata flessibilità di impiego, mantiene ed anzi migliora rispetto ad un tradizionale cavo per tirante strutturale, le proprie prestazioni in termini particolarmente di robustezza, resilienza e flessibilità e le proprie caratteristiche di leggerezza, affidabilità e durata.
Sono previste prevalentemente due metodi preferiti di realizzazione del cavo 1.
Un primo metodo prevede la realizzazione del cavo 1 con la tecnologia dell’avvolgimento filamentare.
La miscela delle prime e seconde fibre 2 e 3 è realizzata in un caso tramite binamento diretto di fili paralleli delle prime fibre 2 e delle seconde fibre durante l’avvolgimento del cavo 1.
La miscela delle prime e seconde fibre 2 e 3 è realizzata in un altro caso tramite binamento e torsione di fili delle prime fibre 2 e fili delle seconde fibre 3 a formare un trefolo 4 utilizzato come costituente base dell’avvolgimento.
Nel trefolo 4 la disposizione dei fili di prime fibre 2 e dei fili di seconde fibre 3 può essere casuale oppure concentrica in cui più precisamente i fili di seconde fibre 3 sono disposti nella zona centrale del trefolo ed i fili di prime fibre 2 sono disposti nella zona periferica circoscrivente la zona centrale del trefolo.
La disposizione concentrica dei fili di prime fibre 2 e dei fili di seconde fibre 3 può essere ottenuta con una unica fase di torsione del trefolo 4, oppure ritorcendo prima i fili delle seconde fibre 3 a formare un sottotrefolo che viene poi alimentato come anima del trefolo 4 rivestita con i fili delle prime fibre 2 che vengono ritorti in senso contrario.
Il secondo metodo prevede l realizzazione del cavo 1 tramite trecciatura di trefoli 4 ciascuno dei quali ottenuto per binamento e torcitura di fili di prime fibre 2 e fili di seconde fibre 3.
Anche in questo caso la disposizione dei fili di prime fibre 2 e dei fili di seconde fibre 3 nel trefolo 4 può essere casuale oppure concentrica in cui più precisamente i fili di seconde fibre 3 sono disposti nella zona centrale del trefolo 4 ed i fili di prime fibre 2 sono disposti nella zona periferica circoscrivente la zona centrale del trefolo 4.
La previsione di un cavo 1 con disposizione concentrica dei fili di prime fibre 2 rispetto ai fili di seconde fibre 3, sia nel caso in cui il cavo 1 sia ottenuto per avvolgimento filamentare sia per trecciatura di trefoli, è preferibile in quanto consente di ottenere anche un effetto di protezione e lubrificazione da parte delle prime fibre 2 nei confronti delle seconde fibre 3, che in genere risultano essere soggette a danneggiamento per effetto di fenomeni di sfregamento fra loro stesse, mentre i cuscinetti di prime fibre risultano migliorarne significativamente la resistenza a fatica.
Il cavo in fibre sintetiche ed il metodo per la usa realizzazione così concepiti sono suscettibili di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti.
In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a secondo delle esigenze e dello stato della tecnica.
Claims (17)
- RIVENDICAZIONI 1. Cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale, caratterizzato dal fatto di comprendere prime fibre (2) sintetiche in polietilene a modulo ultra alto in miscela con seconde fibre (3) sintetiche presentanti una bassa tendenza allo scorrimento viscoplastico per la stabilizzazione statica di dette prime fibre (2) sintetiche.
- 2. Cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette prime fibre (2) sintetiche presentano modulo elastico nominale non inferiore a 1290 cN/dTex.
- 3. Cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette prime fibre (2) sono presenti in un intervallo compreso tra 50 e 95% in peso o in volume rispetto al totale di dette prime e seconde fibre sintetiche (2, 3).
- 4. Cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette prime fibre (2) sintetiche sono in un materiale avente tenacità pari a circa 39 cN/dTex, modulo elastico compreso tra 1375 e 1435 cN/dTex, temperatura di fusione compresa tra 144 e 152 °C, densità pari a 0,97 g/cm3.
- 5. Cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette seconde fibre (3) sintetiche sono fibre di PBO o fibre di carbonio a basso o medio modulo o fibre aramidiche o fibre di poliestere-poliarilato.
- 6. Cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di presentare come costituente base un trefolo avente una zona centrale formata da fili di dette seconde fibre (3) ed una zona periferica formata da fili di dette prime fibre (2).
- 7. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale, caratterizzato dal fatto di miscelare prime fibre (2) sintetiche in polietilene a modulo ultra alto con seconde fibre (3) sintetiche presentanti una bassa tendenza allo scorrimento viscoplastico per la stabilizzazione statica di dette prime fibre (2) sintetiche.
- 8. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto cavo (1) è realizzato in avvolgimento filamentare.
- 9. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la miscela di dette prime e seconde fibre (2, 3) è realizzata tramite binamento diretto di fili paralleli di dette prime fibre (2) e di dette seconde fibre durante l’avvolgimento di detto cavo (1).
- 10. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la miscela di dette prime e seconde fibre (2, 3) è realizzata tramite binamento e torsione di fili di dette prime fibre (2) e fili di dette seconde fibre (3) a formare un trefolo utilizzato come costituente base dell’avvolgimento.
- 11. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti fili di prime fibre (2) e detti fili di seconde fibre (3) sono posizionati casualmente in detto trefolo.
- 12. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detti fili di dette seconde fibre (3) sono posizionati nella zona centrale di detto trefolo e detti fili di dette prime fibre (2) sono posizionati nella zona periferica di detto trefolo.
- 13. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la disposizione di detti fili di dette prime fibre (2) e di detti fili di dette seconde fibre (3) è ottenuta in una unica fase di torsione di detto trefolo.
- 14. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che la disposizione di detti fili di dette prime fibre (2) e di detti fili di dette seconde fibre (3) è ottenuta ritorcendo prima detti fili di dette seconde fibre (3) a formare un sottotrefolo che viene poi alimentato come anima del detto trefolo rivestita con detti fili di dette prime fibre (2) che vengono ritorti in senso contrario.
- 15. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di essere realizzato tramite trecciatura di trefoli ciascuno dei quali ottenuto per binamento e torcitura di fili di dette prime fibre (2) e fili di dette seconde fibre (3).
- 16. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti fili di prime fibre (2) e detti fili di seconde fibre (3) sono posizionati casualmente in detto trefolo.
- 17. Metodo per la realizzazione di un cavo (1) in fibre sintetiche per tirante strutturale secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detti fili di dette seconde fibre (3) sono posizionati nella zona centrale di detto trefolo e detti fili di dette prime fibre (2) sono posizionati nella zona periferica di detto trefolo.
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