ITMI20131364A1 - Metodo per produzione di un prodotto composito che prevede una matrice polimerica presentante fibre di rinforzo, e prodotto ottenuto con tale metodo - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto per invenzione

Forma oggetto del presente trovato un metodo per la produzione di un prodotto composito comprendente una matrice polimerica e fibre di rinforzo.

E’ noto realizzare prodotti compositi comprendenti una matrice polimerica e fibre di rinforzo utilizzando uno stampo, ad esempio uno stampo aperto a forma di tazza, alla cui parete concava interna vengono fatti aderire una pluralità di strati sovrapposti ciascuno costituito da un preimpregnato (questo processo è noto come laminazione in pre preg), ed in cui detti strati vengono quindi portati alla loro temperatura di cottura in modo da farli indurire, inserendo lo stampo in un forno e, preferibilmente anche in un autoclave per portare a termine ed ottimizzare la polimerizzazione della matrice polimerica dei preimpregnati.

Sono noti anche processi che pur utilizzando i preimpregnati non richiedono l’uso dell’autoclave (questi processi sono noti come processi OOA “outof autoclave). Tali processi prevedono l’uso di sacchi a vuoto e sono pertanto noti anche come processi VBO (“vacuum bag only”).

Nel presente contesto con preimpregnato è da intendersi un semilavorato, nel seguito indicato anche come pelle, sostanzialmente piano in cui uno o più strati in fibra sono completamente o parzialmente impregnati o annegati in una matrice polimerica, ad esempio in una resina epossidica, ed in cui la matrice dei preimpregnati è solo parzialmente polimerizzata (ovvero indurita), così da permettere un’agevole manipolazione e lavorazione del preimpregnato stesso, ed il suo agevole posizionamento negli stampi. Per mantenere il preimpregnato in questo stato di parziale polimerizzazione il preimpregnato deve essere conservato in frigoriferi a basse temperature. Successivamente, portando il preimpregnato alla temperatura di cottura, il processo di polimerizzazione della matrice si completa, e si ottiene un indurimento del preimpregnato stesso, in modo da poter estrarre il prodotto finito dallo stampo.

Nei preimpregnati noti le fibre possono essere corte o continue, ed in particolare continue e tessute. Le fibre possono essere: fibre di carbonio, aramidiche, di vetro.

Un preimpregnato può anche prevedere una pluralità di strati di fibre annegati parzialmente o completamente in una matrice polimerica, in modo che, ad esempio, solo uno strato più esterno del preimpregnato presenti la matrice polimerica.

I processi produttivi che utilizzano i preimpregnati necessitano di dispostivi costosi ed ingombranti, quali ad esempio un autoclave, e capienti frigoriferi in cui conservare i preimpregnati stessi. I tempi di polimerizzazione dei preimpregnati sono inoltre relativamente lunghi ed incidono negativamente sui tempi di produzione dei prodotti finiti.

E’ noto altresì realizzare prodotti compositi comprendenti una matrice polimerica e fibre di rinforzo, utilizzando uno stampo, ad esempio a forma di tazza, alla cui parete concava interna vengono fatti aderire una pluralità di strati sovrapposti ciascuno costituito solo da un materiale di rinforzo “secco”, ad esempio un materiale tessuto o un materiale in tessuto non tessuto, ed in cui detti strati vengono successivamente impregnati con una resina polimerica, utilizzano una tecnica denominata del sacco a vuoto (“vacuum bagging”). Secondo questa tecnica lo stampo con applicati gli strati di rinforzo viene inserito in un sacco che viene chiuso a tenuta, ed in cui viene fatto il vuoto, in modo che attraverso un tubo previsto nel sacco stesso una resina polimerica venga aspirata nello stampo e gli starti di rinforzo vengano conseguentemente impregnati con la resina che viene quindi fatta polimerizzare (ad esempio ponendo l’insieme in un forno).

Nella tecnica del sacco a vuoto (vacuum bagging) è noto anche sostituire il sacco in cui introdurre lo stampo, con un foglio atto a chiudere la parte superiore aperta dello stampo e vincolato a tenuta al bordo libero dello stampo stesso. In tal modo si ottimizza la quantità del film flessibile necessaria per chiudere a tenuta lo stampo e creare il vuoto.

I processi produttivi che utilizzano la tecnica del vacuum bagging non permettono di realizzare prodotti che nelle loro facce esterne, atte a rimanere in vista, presentino una trama estetica o texture, che evidenzi la presenza della fibra di rinforzo e la sua tessitura.

Infatti la resina polimerica impregna completamente anche il tenuto di rinforzo più interno (quella più prossima alla parete dello stampo) che a processo finito risulta completamente annegata nella resina e quindi non visibile o poco visibile dall’esterno. In molti prodotti, ed in particolare nelle scocche per sedili è invece molto apprezzato dagli acquirenti finali, il fatto di poter vedere il tessuto di rinforzo, in particolare quando questo tenuto è un tessuto in fibra di carbonio.

Scopo del presente trovato è quello di realizzare un metodo produttivo che permetta di ottenere prodotti compositi con una finitura estetica della faccia del prodotto atta a rimanere in vista che sia comparabile a quella ottenibile con i processi che utilizzano i preimpregnati, senza la necessità di utilizzare un’autoclave, riducendo l’utilizzo di frigoriferi per la conservazione dei preimpregnati, e riducendo l’esposizione degli operatori con le resine.

Un ulteriore scopo è quello di ridurre il tempo di realizzazione dei prodotti compositi rispetto ai processi che utilizzano i preimpregnati e di realizzare prodotti compositi con caratteristiche meccaniche superiori a quelle dei prodotti ottenuti con i preimpregnati.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare un prodotto composito di minor peso a parità di caratteristiche meccaniche rispetto ai prodotti noti realizzati con preimpregnati.

Un ulteriore scopo è quello di migliorare l’impregnazione dei tessuti di rinforzo e la coesione fra i vari strati di rinforzo rispetto ai prodotti noti realizzati con preimpregnati.

Questi ed altri scopi che appariranno evidenti ad un esperto del ramo vengono raggiunti da un metodo ed un prodotto conforme alle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione del presente trovato si allegano, a titolo esemplificativo ma non limitativo, disegni in cui:

le fig. 1 e 2 mostrano viste schematiche in sezione dell’attrezzatura per l’attuazione del metodo secondo l’invenzione in due diverse fasi operative, le fig. 3, 4, 4A, mostrano viste schematiche in sezione e prospettiche dell’attrezzatura in tre ulteriori fasi operative,

la fig. 5 mostra un esempio della finitura esterna del prodotto ottenuto con il metodo secono l’invenzione,

la fig. 6 mostra una vista schematica in sezione di un preimpregnato atto ad essere utilizzato nel metodo secondo l’invenzione, e

la fig. 7 mostra una vista schematica in sezione di una scocca per la realizzazione di un sedile, in particolare di un sedile per un veicolo, realizzato con il metodo secondo l’invenzione.

Il metodo secondo l’invenzione è relativo alla produzione di un prodotto composito che prevede una matrice polimerica presentante fibre di rinforzo, e comprendente le seguenti fasi:

- una fase di realizzazione di uno stampo presentante almeno una parete di formatura (6A-C) avente la forma di almeno una porzione (16 Fig. 7) di una parete esterna (18 Fig. 7) del prodotto composito,

- e di far aderire alla faccia interna di detta parete di formatura dello stampo una pluralità di strati sovrapposti tra loro comprendenti fibre di rinforzo e almeno un polimero. Secondo l’invenzione il metodo prevede di associare alla faccia interna della parete di formatura dello stampo un primo strato costituito da un preimpregnato comprendente almeno un primo polimero e fibre di rinforzo quindi di sovrapporre a detto primo strato preimpregnato almeno un ulteriore strato di un materiale, comprendente seconde fibre di rinforzo privo di polimeri,

- quindi di impregnare detti primo e secondo strato con almeno un secondo polimero,

- e di applicare il secondo polimero per infusione utilizzando un processo di vacuum bagging (sacco a vuoto).

Secondo l’invenzione il preimpregnato (indicato con 1 in fig. 6) è del tipo che prevede il polimero solo su una (2) delle sue due facce, in modo che l’altra sua faccia 3 risulti sostanzialmente priva di polimero e presenti solo le fibre di rinforzo; la faccia 2 che prevede il polimero viene disposta a contatto con la faccia interna della parete di formatura dello stampo, mentre sull’altra faccia 3 priva di polimero, viene sovrapposto l’almeno un ulteriore strato 4 di un materiale tessuto o non tessuto, comprendente la seconda fibra di rinforzo. E’ da sottolineare che il preimpregnato 1 con polimero su una sola delle sue due facce, prevede uno strato 4 in cui le fibre di rinforzo sono inglobate nel polimero ed almeno uno strato 5 presentante solo fibre prive di polimero.

Preferibilmente il preimpregnato prevede come polimero una resina epossidica.

Preferibilmente il polimero del preimpregnato ha una temperatura di cottura bassa, ovvero uguale o inferiore a 80°C e preferibilmente inferiore a 75° e ancora più preferibilmente pari a circa 65°.

Preferibilmente il preimpregnato comprende almeno uno strato di fibre e preferibilmente questo almeno uno strato è costituito da un tessuto di fibre di carbonio.

Preferibilmente il tessuto è costituito da fibre continue, in cui le fibre di ordito e di trama formano tra loro angoli compresi tra 0 e 90 e preferibilmente pari a 90° o 45°.

Ogni fibra è preferibilmente costituita da un elevato numero di filamenti.

La disposizione delle fibre di trama e di ordito nella porzione esterna 4 (fig. 6) del preimpregnato, che prevede il polimero, è atta a conferire alla porzione del prodotto finito comprendente lo strato di preimpregnato un particolare aspetto estetico, quale ad esempio quello mostrato in fig. 5, ottenuto con un preimpregnato comprendente un tessuto con fibre di carbonio o altro materiale quale fibra di vetro o kevlar e come polimero una resina epossidica. Preferibilmente l’almeno un ulteriore strato disposto al di sopra del preimpregnato è un tessuto di fibre continue, in cui dette fibre sono scelte tra: fibre di carbonio, fibre aramidiche, fibre di vetro.

Nella figura 1 è schematizzato un usuale stampo 6 del tipo a tazza, aperto superiormente e presentante, una pluralità di pareti di formatura 6A, 6B 6C e pareti piane di bordo 6D.

Il metodo secondo l’invenzione prevede di fare aderire alle pareti di formatura 6A-C una pelle preimpregnata 1, del tipo descritto precedentemente e rappresentata in figura 6, con la faccia 2 della pelle, presentante la matrice polimerica, (che preferibilmente è una resina epossidica) a contatto con le pareti 6A-C dello stampo, e l’altra faccia 3 priva di polimero rivolta verso l’interno dello stampo. Vantaggiosamente, per favorire l’estrazione del pezzo finito e garantire uno spessore uniforme del pezzo stesso, la pelle 1 è dimensionata in modo che una sua porzione 1A copra il bordo superiore dello stampo 1 e si estenda anche almeno in parte sulle pareti piane 6D di bordo dello stampo.

Un preimpregnato adatto allo scopo è ad esempio il preimpregnato prodotto dalla società UMECO, presentante una resina epossidica con temperatura di fusione di 50-60°c.

Successivamente, come mostrato in fig. 2, sopra al preimpregnato 1 vengono sovrapposti uno o più pelli 7 di un materiale tessuto o non tessuto secco, ovvero privo di polimero (in figura 2 è rappresentato un solo strato 7).

Queste pelli 7 possono ad esempio essere realizzate con filati presentati fibre continue (nel caso ad esempio di tessuti) o non continue (nel caso ad esempio di non tessuti, in cui le fibre possono essere: fibre di carbonio, aramidiche, fibre di vetro.

Successivamente, allo stampo vengono applicati gli usuali componenti necessari per un processo di infusione di una resina epossidica mediante vacuum bagging.Questi componenti sono tutti di tipo usuale per l’esperto del ramo e non verranno descritti in dettaglio. In fig. 3 è rappresentato schematicamente lo stampo 6 ed i componenti per il vacuum bagging che prevedono: una retina da infusione 8 che serve a far scorrere e distribuire la resina sul tessuto secco sottostante per favorirne una uniforme impregnazione, un peel ply 9, ovvero un tessuto atto a semplificare la rimozione della retina da infusione 8, un tubo spiralato 10 atto ad essere vincolato alla parete di bordo 6D dello stampo ed atto ad aspirare l’aria dallo stampo, un bleeder 11, ovvero un tessuto che favorisce il passaggio dell’aria dalla zona di ingresso resina al tubo spiralato 10 di aspirazione dell’aria, ed un sacco o foglio flessibile 12 atto ad essere vincolato a tenuta alla parete piana 6D dello stampo (ad esempio mediante un nastro butilico 15 rappresentato in fig.4A). Il foglio flessibile 12 presenta un primo tubo 13 per l’ingresso della resina epossidica nello stampo ed un secondo tubo 14 collegato al tubo spiralato 10 per l’aspirazione dell’aria. In fig. 4 è rappresentato schematicamente lo stampo con applicato il sacco a vuoto al termine del processo di infusione, mentre in fig. 4A è stato rappresentato in modo schematico ed in sezione lo stampo a processo di vacuum bagging terminato.

Preferibilmente il processo di vaccuum bagging avviene con una pressione compresa tra -0,5 e -0,1 bar e più preferibilmente pari a circa 0,8 bar. Tale pressione evita rotture del foglio 12 ed è atta a compattare gli strati in tessuto secco 7 e quello preimpregnato 1.

E’ da sottolineare che secondo l’invenzione grazie al fatto che il preimpregnato 1 presenta uno strato superiore 5 solo in fibra, ovvero privo di matrice polimerica, quando viene infusa la resina questa impregna anche questo strato superiore 5. In tal modo si riesce a ottenere una ottimale coesione tra le pelli del prodotto composito, ovvero tra il preimpregnato 1 e gli strati in tessuto sovrastanti 7.

Al termine del processo di infusione lo stampo con ancora collegati i componenti per il vaccuum bagging, viene inserito in un forno per accelerare il processo di polimerizzazione. Preferibilmente il forno ha una temperatura minore di 80°C e più preferibilmente pari a circa 70°C, per un periodo di tempo compreso tra circa 200’ e 350’ e più preferibilmente pari a circa 270’.

Il prodotto composito ottenuto con il metodo sin qui descritto ha, rispetto ai prodotti ottenuti mediante sovrapposizioni di pelli preimpregante, migliori caratteristiche meccaniche e minor peso, pur mantenendo caratteristiche estetiche e di finitura paragonabile a quelle dei prodotti compositi ottenuti per sovrapposizione di pelli preimpregnate.

Infatti, la parete che rimane in vista del prodotto finito, essendo stata realizzata con una pelle preimpregnata del tipo sin qui descritto, presenta tutte le caratteristiche di un prodotto ottenuto con sovrapposizioni solo di pelli preimpregnate.

In fig. 7 è rappresentato schematicamente un prodotto ottenuto con il metodo secondo il trovato, tale prodotto è un semilavorato per la produzione di un sedile, in particolare per un veicolo, e più in particolare è una scocca 20 per un sedile. Tale scocca 20 presenta una faccia esterna 18, almeno una porzione della quale è atta a rimanere in vista a sedile finito, ed una faccia interna 19 atta a venir coperta con un’imbottitura, e che quindi a sedile finito non rimarrà in vista. Secondo l’invenzione la porzione della faccia esterna 18 della scocca presenta un aspetto, del tipo rappresentato a titolo esemplificativo in fig.

5, che evidenzia chiaramente la trama del tessuto di rinforzo in fibra di carbonio. La scocca 20 presenta uno strato più esterno 16 comprendente almeno una porzione atta a rimanere in vista, realizzato con un preimpregnato 1 (con un primo polimero) e che evidenzia chiaramente la trama del tessuto di rinforzo in fibra di carbonio, e uno strato 17 più interno in pezzo e sovrapposto al primo, comprendente una matrice polimerica epossidica e una pluralità di tessuti 5, 7 (fig. 2 e 6) tutti impregnati di detta prima matrice polimerica. Il primo e secondo strato della scocca 20 sono realizzati secondo il metodo precedentemente descritto.

La scocca 20 pur presentando un aspetto estetico della sua faccia esterna 18 atta a rimanere in vista identico a quello delle scocche realizzate per sovrapposizione solo di pelli preimpregante, essendo realizzato con il metodo secondo l’invenzione può essere prodotto in modo più semplice ed in particolare con dispositivi non particolarmente complessi che non comprendono un’autoclave, e con una minore quantità di pelli preimpregnate e quindi senza la necessità di disporre di grandi frigoriferi per il loro stoccaggio. La scocca secondo il trovato risulta inoltre più resistente alle sollecitazioni meccaniche e più leggera rispetto ad analoghe scocche realizzate per sovrapposizione di preimpregnati.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo per produzione di un prodotto composito che prevede una matrice polimerica presentante fibre di rinforzo, comprendente: - una prima fase di realizzazione di uno stampo (6) presentante almeno una parete di formatura (6A,B,C) avente la forma di almeno una porzione di una parete esterna di detto prodotto composito, - ed una seconda fase in cui si applicano alla faccia interna di detta parete di formatura dello stampo una pluralità di strati (1, 7) sovrapposti tra loro comprendenti fibre di rinforzo e almeno un polimero, caratterizzato dal fatto che detta seconda fase prevede: - di associare alla faccia interna della parete di formatura (6A,B,C) dello stampo (6) un primo strato costituito da un preimpregnato (1) comprendente almeno un primo polimero, e prime fibre di rinforzo, - quindi di sovrapporre a detto primo strato preimpreganto (1) almeno un ulteriore strato (7) di un materiale comprendente seconde fibre di rinforzo e privo di polimeri, - quindi di impregnare detti primo e secondo strato (1, 7) con almeno un secondo polimero, - detto secondo polimero venendo applicato per infusione utilizzando un processo di vacuum bagging (sacco a vuoto).
2. 2) Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il preimpregnato (1) prevede almeno una prima parte (4) comprendente una matrice polimerica e fibre di rinforzo, ed una seconda parte (5) priva di polimero e comprendente solo fibre di rinforzo, detta prima parte (4) comprendendo una faccia esterna (2) che prevede il polimero e le fibre di rinforzo, detta seconda parte (5) prevedendo una faccia interna (3) priva di polimero, detta faccia esterna (2) venendo applicata alla faccia interna della parete di formatura (6A, B, C) dello stampo (6), mentre su detta faccia interna (3) priva di polimero, venendo sovrapposto l’almeno un ulteriore strato (4) di un materiale comprendente seconde fibre di rinforzo prive di polimero.
3. 3) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che almeno le fibre di rinforzo della faccia esterna (2) della prima parte (4) sono fibre continue e in forma di tessuto.
4. 4) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il primo ed il secondo polimero sono una resina epossidica.
5. 5) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il primo polimero del preimpregnato ha una temperatura di cottura uguale o inferiore a 80°C.
6. 6) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che le fibre di rinforzo del preimpregnato continue e tessute scelte tra una delle seguenti fibre: fibre di carbonio, fibre aramidiche, fibre di vetro.
7. 7) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il materiale dell’almeno un ulteriore strato (7) disposto al di sopra del preimpregnato (1) è un tessuto di fibre continue, in cui dette fibre sono scelte tra: fibre di carbonio, fibre aramidiche, fibre di vetro.
8. 8) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che lo stampo (6) è del tipo a tazza, aperto superiormente e presentante, una pluralità di pareti di formatura (6A, 6B 6C).
9. 9) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che al termine del processo di infusione lo stampo con ancora collegati i componenti per il vaccuum bagging, viene riscaldato per accelerare il processo di polimerizzazione, e che la temperatura di riscaldamento è minore di 80°C.
10. 10) Prodotto composito realizzato secondo il metodo di cui alle rivendicazioni precedenti, presentante: - uno strato più esterno (16) comprendente almeno una porzione (18) atta a rimanere in vista, realizzato con un preimpregnato (1), caratterizzato dal fatto di prevedere: - uno strato più interno (17) in pezzo e sovrapposto a quello più esterno (16), comprendente una prima matrice polimerica epossidica e almeno un tessuto (5, 7) impregnato con detta prima matrice polimerica, - che detto strato più esterno (16) prevede: - almeno una prima parte più esterna (4) comprendente una seconda matrice polimerica epossidica e fibre di rinforzo continue e tessute, - ed una seconda parte (5) comprendente fibre di rinforzo impregnate con detta prima matrice polimerica, - detta prima parte più esterna (4) comprendendo detta pozione atta a rimanere in vista del prodotto composito, e che la seconda matrice polimerica ha una temperatura di cottura uguale o inferiore a 80°C.
11. 11) Prodotto composito secondo la rivendicazione 10 caratterizzato dal fatto di essere un semilavorato ed avere la forma di una scocca di un sedile per un automobile.