ITMI950776A1

ITMI950776A1 - Procedimento per produrre parti composite leggere e rigide e parti prodotte secondo questo procedimento

Info

Publication number: ITMI950776A1
Application number: IT95MI000776A
Authority: IT
Inventors: Heinz Winter
Original assignee: Steyr Daimler Puch Ag
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 1996-10-14
Also published as: ITMI950776A0; DE19509018A1; AT402905B; ATA104394A; IT1273568B; DE19509018B4

Abstract

Un procedimento per produrre parti composite, formate da un corpo sagomato leggero (5, 15) e da una pellicola di lamiera (9), circondante questo, comprende in serie le seguenti fasi: il corpo sagomato (5) viene in un primo momento sagomato da una schiuma strutturale, viene inserito in una pressa con controattrezzo flessibile (3) e una piastrina di lamiera (6) viene inserita fra controattrezzo (3) e corpo sagomato (5). Successivamente la pressa riveste a pressione il corpo sagomato (5) con la piastrina (6), laddove il corpo sagomato serve da attrezzo e viene unito con la piastrina e infine la parte composita finita (8) viene tolta dalla pressa. Il corpo sagomato può essere fatto di una schiuma poliuretanica dura, di una schiuma di lega leggera o di una schiuma sintetica.(figura 1).

Description

"Procedimento per produrre parti composite leggere e rigide e parti prodotte secondo questo procedimento"

Riassunto del trovato

Un procedimento per produrre parti composite, formate da un corpo sagomato leggero (5, 15) e da una pellicola di lamiera (9), circondante questo, comprende in serie le seguenti fasi: il corpo sagomato (5) viene in un primo momento sagomato da una schiuma strutturale, viene inserito in una pressa con controattrezzo flessibile (3) e una piastrina di lamiera (6) viene inserita fra controattrezzo (3) e corpo sagomato (5). Successivamente la pressa riveste a pressione il corpo sagomato (5) con la piastrina (6), laddove il corpo sagomato serve da attrezzo e'viene unito con la piastrina e infine la parte composita finita (8) viene tolta dalla pressa. Il corpo sagomato può essere fatto di una schiuma poliuretanica dura, di una schiuma di lega leggera o di una schiuma sintetica, (figura 1)

Descrizione del trovato

L'invenzione riguarda un procedimento per produrre parti composite formate da un corpo sagomato leggero e da una pellicola di lamiera che lo circonda. Specialmente nella costruzione di autoveicoli esiste un grande fabbisogno di tali parti, in quanto i corpi dei veicoli in misura estremamente elevata devono necessariamente soddisfare a vari requisiti fra di loro in contraddizione.

Questi requisiti sono: peso modesto, elevata rigidezza, bassi costi di produzione e libertà di conformazione, richiedente spesso parti a sottosquadro. Il requisito relativo all'elevata rigidezza va precisato come elevata rigidezza flessionale, rigidezza ai carichi di punta e anche torsionale, nonché come elevato assorbimento energetico nel corso della deformazione nel caso di una collisione. Per parti di carrozzeria visibili dall'esterno a ciò si aggiunge anche l'esigenza di una superficie metallica, il cui aspetto esteriore nello stato verniciato non si distingue da quello di susseguenti parti in lamiera convenzionali. A seconda del caso si desidera anche un effetto insonorizzante.

Sono già noti diversi corpi sagomati e relativi procedimenti di fabbricazione, che tuttavia non soddisfano senz'altro a tutti i requisiti precedentemente menzionati, in misura sufficiente, ed inoltre sono adatti soltanto per determinate forme semplici.

Dal EP-OS 247239 è noto un corpo composito formato da un nucleo di materiale termoindurente o di una resina sintetica e da un involucro di lamiera di acciaio. In un primo momento quest'ultimo viene prodotto mediante imbutitura da una piastrina di lamiera rivestita con una vernice speciale. La vernice successivamente assicura l'adesione fra involucro e nucleo. Successivamente per formare il nucleo i corrispondenti prodotti preliminari in materiale sintetico vengono inseriti nell'involucro e induriti e introdotti a pressione. Per la produzione dell'involucro questo procedimento richiede un attrezzo di imbutitura completo e ciononostante è di lavorazione troppo costosa per la produzione in serie. A causa del convenzionale attrezzo di imbutitura non sono possibili sottosquadri, e in ogni caso il nucleo nello stato plastico dovrà essere sagomato nell'interno dell'involucro. Pertanto il procedimento non è adatto per parti sagomate complesse. Inoltre la scelta del materiale del nucleo è limitata a materiali sintetici induribili a formare blocchi massicci, che nel caso di parti sagomate relativamente grandi non comportano sufficiente risparmio di peso.

Dal DE-OS 30 11 336 è noto un corpo composito, che è formato da lamiera e da un materiale composito in fibre e viene prodotto incollando un nucleo prefabbricato con una lamiera prefabbricata. Anche per questo corpo vale quanto precedentemente indicato. Alternativamente in questo caso viene proposto di portare nella forma desiderata lamiera e massa composita di fibre con un unico processo di pressatura. Però anche così non è possibile produrre forme a sottosquadro, poiché il materiale composito in fibre indurisce soltanto dopo la deformazione.

Dal EP-OS 486344 è noto un procedimento per applicare uno strato insonorizzante su una ruota ferroviaria. Lo strato isolante piano viene collocato su un cuscino morbido e spalmato con un collante, mentre nel cuscino viene quindi pressata la superficie della ruota. Però in questo caso non si tratta di un corpo sagomato, la ruota costituisce il componente portante e lo strato isolante non ha una funzione portante. Inoltre la forma è assai semplice, non si possono produrre in tal modo sottosquadri e questi sarebbero anche inopportuni.

Dalla rivista "TOOLING and PRODUCTION", Ottobre 1985, pagine 47 fino a 49 è noto un procedimento per sagomare parti in lamiera per mezzo di una camera di pressione con membrana flessibile, laddove tuttavia sul lato del pezzo opposto alla membrana si impiega un attrezzo di sagomatura fisso. Questo procedimento è noto con la denominazione "FLEXFORMING" {marchio registrato della ASEA). Con questo procedimento però la produzione di sottosquadri è possibile solo in modo assai limitato, in quanto anzi il pezzo dovrà essere staccabile dall'attrezzo. Una parte in lamiera così prodotta potrebbe essere quindi riempita o unita con un corpo sagomato conformemente al EP-OS 247 239 precedentemente indicato oppure conformemente al DE-OS 30 11 336, con ulteriori fase operative.

L'invenzione persegue lo scopo di realizzare un procedimento per produrre parti sagomate leggere e rigide, anche di forma complicata e a sottosquadro, in maniera il più possibile semplice ed economica, adatta anche per la produzione in serie.

Il procedimento secondo l'invenzione è formato dalle fasi indicate nella parte caratterizzante della prima rivendicazione, laddove con schiuma strutturale va inteso qualsiasi materiale contenente aria oppure un altro gas in distribuzione definita, con grandezza ed eventualmente anche forma a bolle definite. In seguito alla sua struttura cellulare anche il legno può essere considerato come schiuma strutturale (naturale). Con il procedimento, nella pressa si combinano due fasi operative in una fase completamente automatizzabile: sagomatura della pellicola di lamiera e unione con il corpo sagomato. Poiché il corpo sagomato contemporaneamente con l'imbutitura della pellicola di lamiera serve da attrezzo, che non dovrà essere più staccato dal pezzo, è possibile primariamente la produzione di forme complicate con sottosquadri e in maniera estremamente naturale è garantito che entrambe le parti si adattano anche esattamente fra di loro. Con questo preciso adattamento reciproco lamiera e corpo sagomato si sostengono reciprocamente in maniera ottimale, cosicché è possibile soddisfare ai requisiti relativi alla resistenza dell'elemento costruttivo, con spessori di lamiera sostanzialmente minori. Questi minori spessori di lamiera favoriscono di nuovo il procedimento stesso, poiché in tal modo con la deformazione della piastrina risulta minore la sollecitazione a pressione del corpo sagomato.

Con il procedimento si ottengono anche vantaggi supplementari: guando spessore della lamiera e resistenza alla pressione della schiuma strutturale sono adattati reciprocamente, in modo che quest 'ultima soddisfa momentaneamente alla funzione di attrezzo, allora con la deformazione della lamiera conformemente al modulo di compressione della schiuma strutturale si verifica una modesta compressione, che dopo la deformazione è di aiuto per l'ottenimento di una tensione preliminare vantaggiosa. Inoltre l'andamento della deformazione per schiume strutturali può essere realizzato in modo assai vantaggioso indipendentemente dal relativo materiale, come risulta ad esempio da ACTA MECHANICA 89, 93-121 (1991) ("The elliptic-paraboloid failure criterion for cellular solids and brittle foams"). Ciò è particolarmente importante in caso di collisione.

Quando, aggiuntivamente, ancor prima della pressatura viene applicato un collante su una o su entrambe le superfici di contatto (rivendicazione 2), è possibile utilizzare l'esatto adattamento reciproco delle due parti e l'azione della pressione durante la pressatura per un'incollatura senza commettiture. L'utilità di un'incollatura senza commettitura è duplice. In primo luogo non si ottengono sacche riempite con aria o vapore, a partire dalle quali la parte composita potrebbe corrodersi dall'interno. In secondo luogo in tal modo si realizza una trasmissione con vincolo dinamico di (soprattutto) forze di spinta con massima superficie di contatto, che supera ampiamente, oltre la somma delle due singole resistenze, la rigidezza risultante, soprattutto la rigidezza torsionale.

Sono note diverse presse con controattrezzo flessibile. Sono particolarmente vantaggiose presse idrauliche con diaframma dilatabile e flessibile (rivendicazione 3), poiché questa modalità costruttiva consente sottosquadri particolarmente profondi e la sagomatura di bordi relativamente aguzzi, con sollecitazione a pressione, minima e assai uniforme sull'intera superficie, del corpo sagomato.

L'invenzione persegue inoltre lo scopo di proporre corpi compositi, che sono prodotti conformemente a questo procedimento e i cui corpi sagomati interni sono fatti di materiali, che oltre alla loro idoneità per il procedimento indicato conferiscono al corpo composito le proprietà necessarie per l'impiego nella costruzione di autoveicoli consentente un risparmio di peso.

In una forma di realizzazione vantaggiosa come materiale del nucleo si impiega una schiuma poliuretanica, e precisamente una schiuma dura o una schiuma integrale (rivendicazione 4). Con gli spessori della lamiera possibili, assai modesti, grazie al procedimento secondo l'invenzione, è possibile in ogni caso la composizione di una schiuma, che presenta la resistenza a pressione e la durezza necessarie per un attrezzo di imbutitura.

Così ad esempio la resistenza a pressione di una schiuma poli.uretani.ca dura arriva fino a 70 N/mm2, il che nel caso di. una pressione di pressatura di 700 bar (=70 N/ram2) a causa della disposizione idrostatica della pressione è sufficiente in una pressa con diaframma flessibile. Valori similari vengono ottenuti con masse di iniezione poliuretaniche, chiamate anche schiuma strutturale, in cui inoltre aumenta la resistenza verso l'esterno. La densità specifica è di circa 30 kg/m3 versò l'alto. Per quanto riguarda la terminologia i valori di resistenza si rimanda a Franck/Biederbick: KUNSTSTOFF-Kompendium (VOGEL-Fachbuch 1990). Inoltre schiume di tale tipo hanno un effetto insonorizzante e coibente.

In un'ulteriore vantaggiosa forma di realizzazione con materiale del nucleo si impiega una schiuma di lega leggera (rivendicazione 5). Anche con questo materiale è possibile ottenere resistenze alla pressione sufficienti per la deformazione della lamiera e un vantaggioso andamento deformatorio (OTSUKA et al: "Structure and Mechanical Properties of Cellular Aluminium"). Un vantaggio supplementare è rappresentato dalla resistenza termica e dalla incombustibilità, la prima nel caso della unione della parte composita con altre parti di carrozzeria e la seconda nel caso di un incendio del veicolo.

In ulteriore sviluppo conseguente anche la piastrina può essere fatta di alluminio rispettivamente di una lega di alluminio usuale nella costruzione di carrozzeria (rivendicazione 6). Ciò non soltanto è vantaggioso per motivi elettrochimici ma migliora anche la capacità di riciclo di recente richiesta per autoveicoli.

Quando si richiede un assorbimento energetico particolarmente elevato, ad esempio per paraurti o parti esposte della parte anteriore o posteriore del veicolo, è molto promettente l'impiego di una schiuma sintetica fatta di sfere ceramiche porose o cave incorporate in una matrice di alluminio (rivendicazione 7) ( "Deformation energy absorbtion characteristics of a metal/ceramic cellular solid", DRURY et al. nella pubblicazione Lightweight alloys for aerospace applications, della The minerals, Metals & Materials society).

Nel seguito l'invenzione viene descritta ed illustrata in base a figure.

In particolare:

le figure da 1 fino a 3 mostrano le fasi operative del procedimento secondo l'invenzione in una prima forma di attuazione,

la figura 4 mostra un corpo composito prodotto conformemente al procedimento delle figure da 1 fino a 3, la figura 5 mostra un ulteriore esempio di un corpo composito prodotto conformemente al procedimento.

Nella figura 1 la pressa isostatica idraulica impiegata è indicata da una parte inferiore 1 e da una parte superiore 2 in posizione sollevata. Nella parte superiore 2 è fissata saldamente tutto intorno una membrana elastica 3 e un fluido in pressione liquido può essere addotto in manièra controllata tramite un canale 4. Tramite la parte inferiore viene ora inserito un corpo sagomato 5 e successivamente viene applicata superiormente una piastrina di lamiera 6 adeguatamente ritagliata. Essa con l'azione dei due bordi 23 dello spintore come reggilamiera è assicurata contro lo spostamento. Il corpo sagomato in un primo momento, a seconda del materiale, è stato prodotto in maniera nota con la forma desiderata. Prima dell'inserimento della lamiera si può rivestire con un adeguato collante o la lamiera oppure il corpo sagomato, oppure entrambi, sulla superficie di contatto.

Successivamente, figura 2, viene abbassata la parte superiore 2, cosicché con la parte inferiore 1 essa forma uno stampo chiuso, nel cui spazio superiore 7 attraverso il canale 4 viene introdotto a pressione fluido in pressione. Conseguentemente la membrana si muove verso il corpo sagomato 5 agente da attrezzo e si adegua attorno ad esso con dilatazione, laddove la lamiera 6 inserita fra membrana 3 e corpo sagomato 5 assume la forma del corpo sagomato. Quando è cessata l'operazione di pressatura, figura 3, viene svuotato lo spazio superiore 7, la membrana si contrae grazie alla sua elasticità e libera la parte composita finita 8. A questo punto viene nuovamente sollevata la parte superiore 2 e la parte composita viene tolta dalla pressa. Inoltre dalla figura 3 è rilevabile che la pellicola di lamiera 9 della parte composita 8 presenta una flangia 10, che si ottiene ritagliando corrispondentemente la piastrina prima dell'inserimento nella pressa automaticamente. Questa flangia in successive fasi operative può essere utilizzata per l'unione con altre parti in lamiera, ad esempio mediante saldatura a punti oppure anche mediante incollatura.

La parte composita rappresentata in figura 4 è formata dalla parte sagomata 5 e dall'involucro di lamiera 6 circondante la parte sagomata saldamente senza intercapedini. Per motivi di rappresentazione anche un lembo di lamiera 20 è ritagliato e curvato a ritroso. Le parti 21 e/oppure 22, così visualizzate, della superficie di parte sagomata 5 e/oppure involucro di lamiera 6 possono essere rivestite con un collante adatto applicato già prima dell'inserimento nella pressa.

L'ulteriore corpo sagomato 25 mostrato nella figura 5 è la porta di un autoveicolo. Esso è formato di nuovo da un corpo sagomato 26 e da un involucro di lamiera 27. Il corpo sagomato 26 però non costituisce un blocco ma presenta nervature di rinforzo 28 con campi interposti 29. Questi campi 29 vengono formati da parti in rilievo dello spintore inferiore 1 della pressa e garantiscono un buon appoggio della parte sagomata. Anche in questo caso sono di nuovo previsti bordi periferici 30 formanti il telaio della porta.

La parte sagomata stessa può essere fatta di diversi materiali: in un primo esempio di realizzazione essa è fatta di una schiuma dura poliuretanica, laddove per l'ottenimento della durezza necessaria la composizione deve prevedere necessariamente un'elevata percentuale di tri-isocianati e un eccesso sufficiente di isocianati. Così ad esempio per una densità di 30 kg/m3 è possibile ottenere una resistenza alla pressione di 87 N/mm2. Le componenti vengono mescolate e immesse in uno stampo. Dopo alcuni minuti il corpo sagomato è finito per il procedimento secondo l'invenzione, in cui esso viene rivestito a pressione con una lamiera in acciaio di 0,1 mm.

In un secondo esempio di realizzazione una massa di iniezione poliuretanica, ad esempio "ELASTOGRAN" (marchio registrato della BAYER) con iniettofusione di reazione viene immesso in uno stampo. A causa della modesta pressione di iniezione sono sufficienti stampi leggeri. La schiuma che si forma scegliendo adeguatamente la mistura risulta assai dura e si comprime verso la parete esterna. Conseguentemente la sua resistenza alla pressione risulta quindi sufficiente per rivestire a pressione la piastrina avente uno spessore di 0,2 fino a 0,5 mm, a seconda della forma.

In un terzo esempio di realizzazione si impiega una schiuma di alluminio. Essa viene ottenuta mediante colata di una massa fusa di alluminio nello stampo e schiuraificazione chimica mediante biidruro di titanio prima del consolidamento della massa fusa. Con il suo dosaggio è possibile ottenere diametri delle bolle da uno fino ad alcuni millimetri. Conseguentemente la parte sagomata in caso di sollecitazione a pressione in un primo momento presenta un accentuato comportamento elastico che favorisce il rivestimento a pressione, e successivamente grandi corse di deformazione con resistenza costante di deformazione, il che per il corpo composito finito è vantaggioso in caso di collisioni. Il corpo sagomato viene rivestito a pressione ad esempio con una lamiera di alluminio di uno spessore di circa 0,2 fino a 0,5 mm.

In un quarto esempio di realizzazione il corpo sagomato è fatto con sfere di ceramica cave incorporate in una matrice di alluminio. Per la loro produzione sfere cave di Al203 vengono compattate nello stampo, sottoposte a depressione e colate con una lega di alluminio (preferibilmente 6061 conformemente al numero di registro internazionale). In tal modo per una densità di circa 300 kg/m3 si ottiene una resistenza alla pressione del corpo sagomato di circa 40 N/mm2. Un corpo sagomato di tale tipo è caratterizzato da una curva di deformazione-tensione particolarmente piena, ossia da elevato assorbimento energetico in fase di deformazione. Come involucro di lamiera è adatta ad esempio lamiera di alluminio, rispettivamente una lega di alluminio con uno spessore di 0,1 mm.

Claims

Rivendicazioni 1. Procedimento per produrre parti composite formate da un corpo sagomato leggero (5, 15) e da una pellicola di lamiera (9) che lo circonda, il quale procedimento si compone consecutivamente delle seguenti fasi: a) il corpo sagomato (5) viene dapprima sagomato da una schiuma strutturale, b) il corpo sagomato successivamente come attrezzo viene inserito in una pressa con controattrezzo flessibile (3), c) una piastrina di lamiera (6) viene inserita fra controattrezzo (3) e corpo sagomato (5), d) la pressa riveste a pressione il corpo sagomato (5) con la piastrina (6), laddove il corpo sagomato serve da attrezzo e viene unito con la piastrina, e) la parte composita finita (8) viene tolta dalla pressa.
2. Procedimento per produrre parti composite secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che sulla parte, da rivestire a involucro, della superficie del corpo sagomato (5, 15) e/oppure sul lato (lati), rivolto verso il corpo sagomato (5, 15) delle piastrine di lamiera (6, 16), prima del rivestimento a pressione, viene applicato un collante.
3. Procedimento per produrre parti composite secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che come pressa si impiega una pressa idraulica con diaframma (diaframmi) dilatabili e flessibili (3, 13).
4. Parte composita, prodotta conformemente al procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 2, caratterizzata dal fatto che il corpo sagomato (5, 15) è fatto di schiuma dura poliuretanica oppure schiuma integrale.
5. Parte composita prodotta conformemente al procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 2, caratterizzata dal fatto che il corpo sagomato (5, 15) è fatto di una schiuma di lega leggera.
6. Parte composita secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che la schiuma di lega leggera è schiuma di alluminio e anche la piastrina di lamiera (6, 16) è fatta di alluminio, rispettivamente di una lega di alluminio.
7. Parte composita prodotta conformemente al procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 2, caratterizzata dal fatto che il corpo sagomato (5, 15) è fatto di una schiuma sintetica formata da sfere di ceramica porose o cave incorporate in una matrice di alluminio.