ITTO20110657A1 - Struttura portante monoscocca in materiali compositi e procedimento per la sua produzione - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo::
“Struttura portante monoscocca in materiali compositi e procedimento per la sua produzioneâ€
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce in generale alle strutture in materiali compositi per la realizzazione di scocche, ad esempio carrozzerie per veicoli terrestri, in particolare per trasporto pubblico, e scafi per costruzioni nautiche.
In entrambi i casi la produzione à ̈ tipicamente caratterizzata da modesti volumi di produzione che possono oscillare tra poche unità e qualche migliaio di pezzi.
Per le applicazioni su veicoli le dimensioni del mercato hanno fortemente limitato lo sviluppo dei sistemi di produzione rispetto a quelli normalmente utilizzati nell'industria automobilistica, caratterizzati da volumi di produzione più grandi di tre ordini di grandezza.
La produzione dei manufatti in questione viene effettuata di conseguenza con sistemi essenzialmente artigianali che prevedono strutture in carpenteria metallica realizzate con l'utilizzo di una miriade di parti metalliche assemblate mediante saldatura, e quindi completate con pannellature e/o rivestimenti metallici o in materiale plastico. Una siffatta tipologia di costruzione comporta un impiego rilevante di manodopera, tanto da determinare lo spostamento delle produzioni verso paesi a basso costo industriale.
Inoltre i materiali impiegati e le dimensioni dei veicoli rendono difficili e costose le operazioni di protezione dalla corrosione, in contrasto con la lunga vita operativa richiesta per questa tipologia di veicoli.
Un ulteriore problema à ̈ relativo al fatto che questa tipologia di costruzione comporta inoltre pesi rilevanti, a scapito della capacità di carico.
La tipologia di costruzione sopra descritta, a suo tempo utilizzata anche per la produzione di auto, à ̈ stata superata dall’invenzione della carrozzeria portante, in cui le lamiere oltre a costituire i rivestimenti, grazie ad opportune pieghe ottenute per stampaggio ed alle successive saldature, costituiscono gli elementi scatolati che formano la struttura.
Per ovviare gli inconvenienti connessi con la costruzione metallica tradizionale à ̈ già stato proposto di realizzare le strutture in questione come monoscocche in materiali compositi a sandwich: esempi di queste realizzazioni sono descritti nei documenti di brevetto US-5,690,378; EP-1340669; EP-2143622.
La comune metodologia per la produzione di siffatte strutture monoscocca prevede di norma diverse fasi successive in cui su uno stampo di formatura viene dapprima realizzata la pelle o parete esterna della scocca mediante deposizione di strati sovrapposti di tessuti di fibre di rinforzo che vengono di volta in volta impregnati con una resina. Successivamente viene applicato un corpo di riempimento intermedio, normalmente di materiale espanso, ed infine si procede alla realizzazione della pelle o parete interna della scocca, anche in questo caso distendendo strati successivi di fibre di rinforzo ed impregnandoli anch’essi di volta in volta con una resina.
Una metodologia altresì utilizzata specie in campo nautico fa uso della infusione sotto vuoto di resina su sandwich preparati a secco.
La prima metodologia, oltre ad essere relativamente lunga e complessa in relazione alle successive fasi di impregnazione con la resina, può comportare fenomeni di scollamento o di delaminazione nelle zone di interfaccia fra i diversi strati della struttura.
In entrambe le metodologie esiste il problema di unire la scocca alle necessarie strutture resistenti, le quali di norma vengono applicate o sulla faccia interna del manufatto, e quindi si collegano strutturalmente alla sola pelle interna del sandwich, oppure sporgono dal sandwich stesso e quindi interrompono la continuità strutturale della pelle interna. In definitiva, tali strutture resistenti agiscono in modo asimmetrico su una sola pelle del sandwich.
Lo scopo dell'invenzione à ̈ quello di ovviare a tali inconvenienti, e questo scopo viene conseguito grazie ad una struttura portante monoscocca in materiali compositi per veicoli terrestri o costruzioni navali, che riprende le geometrie tipiche delle carrozzerie portanti in lamiera utilizzando tessuti di fibre opportunamente disposti in modo da realizzare le strutture scatolate.
La scocca, comprendente le strutture, può avere sia la geometria di un semiguscio, che quella di un guscio completo grazie all’utilizzo di un controstampo interno costituito da un film flessibile, che può essere estratto a fine processo.
In entrambi i casi la scocca à ̈ costituita da un semiguscio o guscio a sandwich includente una parete esterna, una parete interna ed un corpo intermedio, essenzialmente caratterizzato dal fatto che consiste in un blocco monolitico realizzato tramite un unico processo di iniezione sotto vuoto di resina in uno stampo sul quale vengono posizionati a secco gli strati destinati a costituire detta parete esterna, detta parete interna, strutture scatolari contenute fra la parete esterna e la parete interna ed a queste unite, e detto corpo intermedio.
Le strutture scatolari sono convenientemente disposte secondo un reticolo, in corrispondenza di vani del corpo intermedio, con dimensioni, rigidezze e momenti atti a sopportare punto per punto i carichi strutturali di progetto in collaborazione con le pareti della scocca a sandwich. Queste strutture scatolate agiscono in maniera solidale con l’intero sandwich tramite il collegamento strutturale con le pareti esterna ed interna e possono così sopportare e/o trasferire correttamente i carichi di progetto.
La tecnologia descritta consente quindi di realizzare una scocca portante in materiale composito che comprende le strutture, che può essere paragonata e che si comporta come una scocca portante realizzata con lamiere metalliche.
Essa non richiede tuttavia nà ̈ gli stampi né lo stampaggio dei singoli componenti né il loro successivo assemblaggio mediante saldatura.
Inoltre grazie a questa idea di soluzione si ottiene, nei confronti dello stato dell'arte, un'importante serie di vantaggi:
- la progettazione avviene con l'ausilio di metodi di calcolo noti (ad elementi finiti) specificamente dedicati alle strutture anisotrope stratificate, quali quelle in materiali compositi. Ciò consente di valutare gli sforzi e le deformazioni strato per strato e quelle alle interfacce, e quindi di fare un uso ottimale e puntuale dei materiali nelle quantità e con gli orientamenti necessari a soddisfare le esigenze strutturali in ogni punto del manufatto. La realizzazione mediante strati multipli di fibre permette un dosaggio corretto;
- la tecnologia consente di ottenere carrozzerie per veicoli industriali o scafi per natanti e imbarcazioni in un unico pezzo che offre una grande rigidità con pesi ridotti;
- le strutture resistenti del manufatto sono realizzate contestualmente e rimangono annegate nello spessore del sandwich;
- la costruzione utilizza fibre orientate che consentono di adottare, punto per punto, la quantità e la qualità di materiale necessario, diversificandolo nei vari punti del manufatto;
- le attrezzature di produzione utilizzano stampi in composito di basso costo che riproducono la geometria del manufatto completo;
- non sono necessari stampi per le strutture scatolate interne al sandwich;
- si ottiene una notevole riduzione dell'apporto di manodopera;
- le prestazioni dei materiali impiegati ed il loro utilizzo mirato, nonché il favorevole rapporto resistenzadensità , permettono di ottenere drastiche riduzioni di peso;
- la struttura monoblocco à ̈ caratterizzata da ottime prestazioni in termini di resistenza e rigidezza,
- il materiale utilizzato à ̈ intrinsecamente resistente alla corrosione nonché, a seconda della resina impiegata per l’iniezione, intrinsecamente autoestinguente al fuoco; - la costruzione monoscocca elimina le fasi di assemblaggio nonché i fenomeni connessi alle giunzioni (vibrazioni, disallineamenti, infiltrazioni di liquidi e polveri, etc.);
- la struttura à ̈ intrinsecamente isolata termoacusticamente e presenta una superficie semi-finita facilmente carrozzabile;
- la struttura à ̈ facilmente riparabile con tecnologie diffuse e, a seguito della riparazione, riacquista le caratteristiche iniziali;
- la significativa riduzione di peso della struttura, e quindi di tara del veicolo o natante, permette di accrescere il carico utile e/o di dotare il veicolo o natante di sistemi di accumulo di energia per applicazioni a basso impatto ambientale.
L’invenzione, che a pure per oggetto il procedimento per la produzione della struttura monoscocca, verrà ora descritta più dettagliatamente con riferimento al disegno annesso, fornito a puro titolo di esempio non limitativo, che mostra schematicamente una sezione tipo della disposizione dei componenti della struttura monoscocca.
Nel disegno, la struttura monoscocca realizzata secondo l'invenzione comprende essenzialmente un pannello stratificato esterno 1, destinato a costituire la parete esterna della struttura monoscocca, formata da strati sovrapposti di tessuto di fibre di rinforzo ad esempio di vetro o carbonio, ed un pannello interno 2 destinato a costituire la parete interna della struttura monoscocca e anch’essa costituita da uno o più strati di tessuto di fibre di rinforzo. Fra la parete esterna 1 e la parete interna 2 à ̈ disposto a guisa di sandwich un “core†o corpo intermedio 3, tipicamente di materiale espanso, che può anche presentare zone a densità differenziata in funzione delle necessità strutturali.
Il corpo intermedio 3 delimita vani 4, tipicamente disposti secondo un reticolo interno, in corrispondenza dei quali sono disposte strutture scatolari 5, ad esempio a sezione quadrangolare,contenute interamente fra le pareti 1 e 2 e ad esse unite rigidamente. Tali strutture scatolari 5 sono formate, come si vedrà , da strati localizzati 6 delle fibre che formano la parete 1, uno o più dei quali – indicati con 7- presentano una configurazione a Ω e si uniscono a corrispondenti strati localizzati 8 dell’altra parete 2.
Queste strutture scatolari agiscono in maniera solidale con l’intero sandwich tramite il collegamento strutturale con le pareti esterna ed interna e possono così sopportare e/o trasferire correttamente i carichi di progetto.
All'interno della struttura a sandwich possono inoltre essere incorporati eventuali elementi strutturali addizionali quali irrigidimenti, attacchi e simili, non illustrati.
Tutta la scocca, formata da un semiguscio monoblocco che può costituire la carrozzeria di un veicolo industriale o lo scafo di un natante o imbarcazione, à ̈ dunque realizzata in un pezzo unico in sandwich. Le strutture resistenti della scocca possono essere realizzate da elementi inscatolati anch’essi in composito, adeguatamente dimensionati e disposti all'interno dello spessore del sandwich. La parte resistente del sandwich à ̈ realizzata disponendo le fibre (tessuti, unidirezionali, bidirezionali, etc.) secondo le tipologie, le quantità e gli orientamenti necessari punto per punto e strato per strato nella struttura, in conformità agli sforzi di progetto previsti.
Le specifiche di laminazione vengono progettate e definite sulla base dei carichi statici e dinamici esistenti in ciascun punto, tenendo conto della stratificazione. Il progetto della laminazione può essere sviluppato mediante un programma di calcolo FEM specifico per strutture in composito, che tiene conto degli sforzi in ciascuno strato e degli sforzi all'interfaccia tra gli strati contigui, in modo da evitare che all'interno dello strato si superino i carichi ammissibili (che darebbero luogo a rottura delle fibre per sovraccarico) e che all'interfaccia tra gli strati si superino i carichi ammissibili (che darebbero luogo a fenomeni di scollamento o delaminazione).
La realizzazione in un unico pezzo monoblocco, con le modalità che verranno più oltre descritte, evita fenomeni di scollamento all'interfaccia come à ̈ invece il caso di pezzi prodotti separatamente e successivamente uniti mediante sistemi di incollaggio.
L'incorporazione degli eventuali elementi strutturali addizionali all'interno del sandwich evita che questi possano staccarsi dalla struttura monoscocca, come può invece avvenire sotto sforzo quando tali elementi siano applicati su una faccia del sandwich o comunque sporgano da esso.
Almeno una faccia della struttura monoscocca (quella esterna se si opera con un solo stampo, entrambe se si opera con stampo e controstampo) può essere caratterizzata da un livello di finitura adeguato per essere carrozzato e verniciato con tecniche convenzionali.
La bassa densità dei materiali utilizzati per le lastre 1 e 2 (tipicamente 1,7 KG/dmc) e quella del corpo intermedio 3 (tipicamente da 50 a 100 g/dmc) consente di ridurre la massa complessiva della struttura, parallelamente alla possibilità di ridurre lo spessore delle pareti che scaricano gli sforzi trasversali sul corpo intermedio, senza dare luogo a fenomeni di instabilità .
La tecnologia costruttiva per la realizzazione della struttura monoscocca così descritta richiede di norma uno stampo scomponibile per permettere lo sformo del manufatto.
Il procedimento prevede le seguenti operazioni:
1. la superficie dello stampo viene trattata con opportuni materiali anti-aderenti per consentire la successiva sformatura del manufatto;
2. le diverse parti dello stampo vengono assemblate e sigillate in modo da garantire la tenuta di vuoto;
3. si applica sullo stampo un gel di finitura;
4. si dispongono sullo stampo, a secco, i successivi strati di tessuto che formeranno la parere esterna 1, seguendo gli orientamenti previsti ed inserendo i rinforzi richiesti;
5. si dispone quindi, a secco, il corpo intermedio 3, eventualmente come detto in parti a densità differenziata, e in modo che esso formi i vani 4 disposti secondo un reticolo;
6. entro i vani 4 si dispongono, sempre a secco, gli strati localizzati 6, 7 e 8 destinati a formare le strutture scatolari 5;
7. si dispongono quindi i successivi strati di tessuto destinati a formare la parete interna 2;
8. si applica quindi un film che consenta il distacco del manufatto dal sacco a vuoto, ovvero del controstampo o punzone;
9. tutto il materiale così disposto viene racchiuso in un sacco di tenuta a vuoto, eventualmente utilizzando lo stampo per la chiusura ermetica del sacco stesso;
10. si applicano al volume confinato così ottenuto gli opportuni raccordi per la connessione alle linee del circuito di vuoto;
11. si applicano al volume confinato così ottenuto gli opportuni raccordi per la connessione alle linee del circuito di immissione della resina;
12. si effettua, mediante un sistema di aspirazione, una depressione spinta nel volume confinato così ottenuto;
13. si immette progressivamente dal basso la resina, accuratamente catalizzata, e si prosegue fino a che tutto il sandwich e le relative strutture sono impregnate di resina;
14. si attende il completamento della fase di catalisi della resina: tale processo à ̈ esotermico e produce un aumento di temperatura del manufatto fino a circa 50-60° C e permette una prima fase di polimerizzazione;
15. il manufatto può essere eventualmente sottoposto ad una successiva fase di polimerizzazione termica allo scopo di migliorarne le caratteristiche meccaniche;
16. dopo il completamento della catalisi e il successivo raffreddamento si rimuovono i circuiti di vuoto e di resina, il sacco da vuoto ed il film distaccante, si smonta lo stampo e si estrae la struttura monoscocca così completata;
17. il manufatto pulito dai residui di distaccanti viene quindi eventualmente passato in carrozzeria, per essere quindi completato secondo le tecniche usuali.
Nel corso del processo ciascun nodo della rete di tubazioni di vuoto e ciascun nodo della rete di tubazioni di iniezione della resina sono modulati in portata e pressione (positiva o negativa) al fine di determinare un campo di velocità 3D all'interno del volume confinato, che consenta di realizzare l’iniezione a velocità sostanzialmente costante.
Le variabili in gioco sono:
-Pi = pressione di iniezione iesimo nodo (variabile da 0 a valore massimo)
-Qi = portata dell’iniezione iesimo nodo (variabile da 0 a valore massimo)
-Pv = pressione all’aspirazione iesimo nodo (variabile da 0 a valore massimo)
-Qv = portata dell’aspirazione iesimo nodo (variabile da 0 a valore massimo
-T = tempo di gel della resina
-v = viscosità della resina
-Rj = Ï l/S = resistenza della resina allo scorrimento nel mezzo jiesimo
-Geometria del pezzo e relativa distribuzione del Rj.
Le prime quattro variabili sono funzione del tempo, ovvero sono modulate durante la fase di iniezione.
Naturalmente i particolari della struttura monoscocca e delle fasi del procedimento per la sua produzione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione così come definita nelle rivendicazioni che seguono.
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Struttura portante monoscocca in materiali compositi per veicoli terrestri o navali, costituita da un corpo a sandwich includente una parete esterna (1), una parete interna (2), un corpo intermedio (3) ed eventuali elementi strutturali addizionali interni, caratterizzata dal fatto che consiste in un blocco monolitico realizzato tramite un unico processo di iniezione sotto vuoto di resina in uno stampo sul quale vengono posizionati a secco gli strati destinati a costituire detta parete esterna (1), detta parete interna (2), strutture scatolari (5) contenute fra la parete esterna (1) e la parete interna (2) ed a queste unite, e detto corpo intermedio (3).
- 2. Struttura portante monoscocca secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che dette strutture scatolari (5) sono disposte a reticolo entro vani (4) di detto corpo intermedio (3).
- 3. Struttura portante monoscocca secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che à ̈ in forma di semiguscio.
- 4. Struttura portante monoscocca secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che à ̈ in forma di guscio.
- 5. Procedimento per la realizzazione di una struttura portante monoscocca in materiali compositi per veicoli terrestri o navali costituita da un corpo a sandwich includente una parete esterna (1), una parete interna (2), un corpo intermedio (3) ed eventuali elementi strutturali addizionali interni, caratterizzato dal fatto che à ̈ attuato con un'unica fase di iniezione di resina in uno stampo aperto sul quale vengono preventivamente posizionati a secco gli strati destinati a costituire detta parete esterna (1), detta parete interna (2), strutture scatolari (5) contenute fra la parete esterna (1) e la parete interna (2) ed a queste unite, e detto corpo intermedio (3), i quali vengono quindi isolati a tenuta per confinare un volume di iniezione sotto vuoto di detta resina.
- 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta fase di iniezione della resina viene effettuata a velocità sostanzialmente costante.
- 7. Procedimento secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che dette strutture scatolari (5) vengono formate secondo un reticolo entro vani (4) di detto corpo intermedio (3).
- 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 a 7, caratterizzato dal fatto che detta struttura portante monoscocca à ̈ realizzata a semiguscio.
- 9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 a 7, caratterizzato dal fatto che detta struttura portante monoscocca à ̈ realizzata a guscio.
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