ITTO940358A1

ITTO940358A1 - PROCEDURE FOR THE PRODUCTION OF A TUBULAR BODY OF COMPOSITE MATERIAL

Info

Publication number: ITTO940358A1
Application number: IT94TO000358A
Authority: IT
Inventors: Re Mario Da
Original assignee: Fiat Auto Spa
Priority date: 1994-05-04
Filing date: 1994-05-04
Publication date: 1995-11-04
Also published as: ITTO940358A0; IT1273176B

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento per la produzione di un corpo tubolare di materiale composito" DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "Process for the production of a tubular body of composite material"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione riguarda un procedimento per la produzione di un corpo tubolare di materiale composito, impiegabile per fabbricare organi strutturali di vario genere, ad esempio utilizzabili dall'industria automobilistica per produrre parti di veicoli che richiedono particolari caratteristiche di resistenza meccanica associate ad un peso contenuto. The present invention relates to a process for the production of a tubular body of composite material, which can be used to manufacture structural members of various kinds, for example which can be used by the automotive industry to produce vehicle parts that require particular characteristics of mechanical strength associated with a low weight. .

Sono noti procedimenti che consentono di ottenere semilavorati di forma tubolare realizzati in modo continuo a partire da un corpo tubolare costituito da fibre resistenti tessute o non tessute. Tale corpo tubolare è generato con continuità da un dispositivo erogatore ed è direttamente alimentato ad un'apparecchiatura nella quale esso è imbevuto con una matrice di resina plastica. Successivamente il semilavorato così ottenuto è sezionato in tronchi della dimensione desiderata, i quali sono sottoposti ad un processo di idroformatura all'interno di uno stampo cavo, durante il quale ha luogo la polimerizzazione della resina. Un tale procedimento ed il corpo tubolare ottenibile a seguito della sua attuazione formano oggetto di una domanda di brevetto depositata in Italia con il n. T092A000678 a nome della stessa Richiedente. Processes are known which allow to obtain tubular-shaped semi-finished products made continuously starting from a tubular body consisting of resistant woven or non-woven fibers. This tubular body is generated continuously by a dispensing device and is directly fed to an apparatus in which it is soaked with a plastic resin matrix. Subsequently, the semi-finished product thus obtained is sectioned into trunks of the desired size, which are subjected to a hydroforming process inside a hollow mold, during which the resin polymerization takes place. Such a process and the tubular body obtainable following its implementation are the subject of a patent application filed in Italy with no. T092A000678 in the name of the same Applicant.

Tuttavia, tali procedimenti noti presentano degli inconvenienti in quanto richiedono impianti complessi e costosi per poter essere attuati ed inoltre non consentono di ottenere direttamente corpi tubolari di materiale composito la cui parete presenti spessori differenti in zone predeterminate in funzione dell'entità dei carichi che tali zone dovranno sopportare nell'impiego,permettendo invece unicamente l'ottenimento di corpi tubolari la cui parete presenta uno spessore uniforme in tutte le sue sezioni. However, these known processes have drawbacks in that they require complex and expensive systems in order to be implemented and also do not allow to directly obtain tubular bodies of composite material whose wall has different thicknesses in predetermined areas depending on the extent of the loads that these areas they will have to withstand in use, allowing instead only the obtainment of tubular bodies whose wall has a uniform thickness in all its sections.

Lo scopo principale della presente invenzione è quello di permettere di ottenere un procedimento semplificato per la produzione di un corpo tubolare di materiale composito, che consenta nel contempo di modificare a piacere gli spessori di zone predeterminate della parete del corpo tubolare durante la sua fabbricazione, in funzione dei carichi che agiranno su tali zone durante l'impiego. The main purpose of the present invention is to allow to obtain a simplified process for the production of a tubular body of composite material, which at the same time allows to modify at will the thicknesses of predetermined areas of the wall of the tubular body during its manufacture, in depending on the loads that will act on these areas during use.

Tale scopo viene raggiunto grazie al fatto che il p'rocedimento secondo l'invenzione comprende le seguenti operazioni: This object is achieved thanks to the fact that the process according to the invention comprises the following operations:

predisporre un foglio di materiale composito includente fibre resistenti imbevute di una resina plastica termoindurente non polimerizzata, preparing a sheet of composite material including resistant fibers soaked in an uncured thermosetting plastic resin,

predisporre un organo conformatore cilindrico atto a definire sostanzialmente la dimensione interna di un corpo tubolare preliminare, providing a cylindrical shaping member able to substantially define the internal dimension of a preliminary tubular body,

formare detto corpo tubolare preliminare avvolgendo il foglio di materiale composito su detto organo conformatore determinando almeno una zona di sovrapposizione, in modo tale che la parete del corpo preliminare ottenuto a seguito dell'avvolgimento di detto foglio presenti almeno una porzione comprendente un numero di strati differente rispetto a quello di porzioni adiacenti, forming said preliminary tubular body by wrapping the sheet of composite material on said shaping member, determining at least one overlapping area, so that the wall of the preliminary body obtained as a result of wrapping said sheet has at least a portion comprising a different number of layers compared to that of adjacent portions,

separare il corpo tubolare preliminare dall'organo conformatore, e separating the preliminary tubular body from the shaping member, e

sottoporre il corpo tubolare preliminare ad un processo di formatura e polimerizzazione simultanee internamente ad uno stampo cavo mediante alimentazione di un fluido in pressione all’interno del corpo tubolare preliminare. subject the preliminary tubular body to a simultaneous forming and polymerization process inside a hollow mold by feeding a pressurized fluid inside the preliminary tubular body.

Grazie a tale procedimento è quindi possibile ottenere già durante la fabbricazione del corpo tubolare spessori differenziati della sua parete in funzione dei carichi locali che il corpo tubolare dovrà sopportare. In tale modo è possibile determinare una notevole ottimizzazione della struttura del corpo a tutto vantaggio del risparmio di materiale e con una conseguente riduzione del costo globale del prodotto finito. Inoltre, l'attuazione del procedimento non richiede l'impiego di apparecchiature complesse e costose. Thanks to this process it is therefore possible to obtain already during the manufacture of the tubular body different thicknesses of its wall according to the local loads that the tubular body will have to bear. In this way it is possible to determine a considerable optimization of the body structure to the full advantage of material savings and with a consequent reduction in the overall cost of the finished product. Furthermore, the implementation of the process does not require the use of complex and expensive equipment.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui: Further characteristics and advantages of the present invention will become clearer from the detailed description which follows, made with reference to the attached drawings, provided purely by way of non-limiting example, in which:

la figura 1 è una vista prospettica schematica di un foglio di materiale composito e di un organo conformatore cilindrico ad esso adiacente, Figure 1 is a schematic perspective view of a sheet of composite material and of a cylindrical forming member adjacent to it,

la figura 2 è una vista simile alla figura 1 durante una fase di avvolgimento del foglio di materiale composito sull'organo conformatore, Figure 2 is a view similar to Figure 1 during a step of winding the sheet of composite material onto the shaping member,

la figura 3 è una vista prospettica del corpo tubolare preliminare ottenibile con il procedimento secondo l'invenzione, Figure 3 is a perspective view of the preliminary tubular body obtainable with the method according to the invention,

la figura 4 è una vista ampliata in elevazione sezionata di un particolare della figura 3 indicato con la freccia IV, Figure 4 is an enlarged sectional elevation view of a detail of Figure 3 indicated by the arrow IV,

la figura 5 è una vista sezionata trasversale del corpo tubolare in corrispondenza della linea V-V della figura 3, e Figure 5 is a cross sectional view of the tubular body at the line V-V of Figure 3, e

la figura 6 è una vista ampliata di un particolare della figura 5 indicato con la freccia VI. Figure 6 is an enlarged view of a detail of Figure 5 indicated by the arrow VI.

Con riferimento alle figure, con 1 è indicato in generale un foglio di materiale composito utilizzabile nel procedimento secondo l’invenzione. With reference to the figures, 1 generally indicates a sheet of composite material usable in the process according to the invention.

Il foglio 1 include uno strato 3 di fibre resistenti tessute o non tessute, ad esempio fibre di vetro, carbonio o aramidiche. Le fibre dello strato 3 sono imbevute con una resina termoindurente, ad esempio una resina PUR, epossidica, poliestere o viniliestere in modo tale che lo strato 3 costituisce un mat di SMC (Sheet Moulding Compound) di tipo commercialmente noto. Sheet 1 includes a layer 3 of woven or non-woven resistant fibers, for example glass, carbon or aramid fibers. The fibers of the layer 3 are soaked with a thermosetting resin, for example a PUR, epoxy, polyester or vinylester resin so that the layer 3 constitutes a commercially known SMC (Sheet Molding Compound) mat.

Allo strato 3 può essere applicato uno strato di rinforzo 5, anch'esso costituito da fibre, ad esempio di vetro o carbonio, sotto forma di un tessuto o di un tessuto non-tessuto. A reinforcing layer 5 can be applied to the layer 3, also consisting of fibers, for example glass or carbon, in the form of a fabric or a non-woven fabric.

Inoltre, può essere associato al foglio 1 un foglio ausiliario 7 di materiale con funzione di barriera nei confronti di fluidi, ad esempio un foglio di polipropilene, di spessore preferibilmente variabile tra 0,1 e 0,3 mm. Lo scopo del foglio 7 sarà reso più chiaro nel seguito della descrizione. Furthermore, an auxiliary sheet 7 of material with a barrier function against fluids can be associated with the sheet 1, for example a polypropylene sheet, with a thickness preferably ranging from 0.1 to 0.3 mm. The purpose of sheet 7 will be made clearer in the following description.

Un organo conformatore cilindrico 9, ad esempio un mandrino metallico, avente un asse generale A, è utilizzato per avvolgere il foglio 1 in modo da formare un corpo tubolare preliminare la. A cylindrical shaping member 9, for example a metal mandrel, having a general axis A, is used to wind the sheet 1 so as to form a preliminary tubular body la.

Nel caso in cui viene utilizzato il foglio 7, esso sarà preferibilmente realizzato in forma di guaina tubolare avente dimensioni prossime alle dimensioni della superficie esterna dell'organo cilindrico 9. In tale modo il foglio tubolare 7 è atto ad essere è inserito sull'organo 9 in modo da circondarlo, prima di avvolgere su di esso il foglio 1, così da formare una guaina interna destinata a separare il corpo la dall'organo 9. Un'analoga guaina (non illustrata nelle figure) potrà essere riportata esternamente al corpo la al termine dell'operazione di avvolgimento del foglio 1 sull'organo 9. In the case in which the sheet 7 is used, it will preferably be made in the form of a tubular sheath having dimensions close to the dimensions of the external surface of the cylindrical member 9. In this way the tubular sheet 7 is able to be inserted on the member 9 so as to surround it, before wrapping the sheet 1 on it, so as to form an internal sheath intended to separate the body la from the organ 9. A similar sheath (not shown in the figures) can be applied externally to the body la to the end of the wrapping operation of the sheet 1 on the member 9.

L'organo conformatore 9 è preferibilmente conformato in modo che il perimetro esterno di una sua sezione trasversale sia circa minore del 10-20% del perimetro interno della corrispondente sezione del corpo la. Tale differenza di sezioni può essere ottenuta in particolare avvolgendo il foglio 1 sull'organo 9 in modo lasco. In questo modo, al termine dell’operazione di avvolgimento del foglio 1 sull'organo 9, esso potrà essere sfilato agevolmente. The shaping member 9 is preferably shaped so that the external perimeter of a cross section thereof is approximately 10-20% less than the internal perimeter of the corresponding section of the body la. This difference in sections can be obtained in particular by wrapping the sheet 1 loosely on the member 9. In this way, at the end of the wrapping operation of the sheet 1 on the member 9, it can be easily removed.

Le dimensioni del foglio 1 sono determinate a priori in modo tale che a seguito del suo avvolgimento intorno all'organo 9 sia possibile ottenere almeno una zona nella quale sue porzioni risultano sovrapposte, così che la parete del corpo tubolare preliminare la presenti spessori differenti nella direzione radiale rispetto all'asse A dell'organo 9. The dimensions of the sheet 1 are determined a priori in such a way that following its wrapping around the member 9 it is possible to obtain at least one zone in which its portions are superimposed, so that the wall of the preliminary tubular body has different thicknesses in the direction radial with respect to the axis A of the organ 9.

In tale modo, le porzioni di parete costituite da più strati sovrapposti del foglio 1, destinate nell'impiego del corpo a sopportare carichi esterni più elevati, risulteranno più resistenti, mentre le porzioni di parete costituite da meno strati, che nell'impiego dovranno sopportare carichi ridotti, permetteranno di risparmiare il materiale che si sarebbe invece utilizzato realizzando la parete del corpo tubolare con spessore uniforme. In this way, the wall portions consisting of several superimposed layers of the sheet 1, intended when using the body to withstand higher external loads, will be more resistant, while the wall portions consisting of fewer layers, which in use will have to bear reduced loads, will make it possible to save the material that would have been used by making the wall of the tubular body with uniform thickness.

Utilizzando uno strato 3 di forma rettangolare, come quello illustrato nelle figure 1 e 2, avvolto sull'organo 9 con l'asse A parallelo ad uno dei suoi lati, il diverso numero di strati di avvolgimento del foglio 1 darà luogo a porzioni della parete del corpo tubolare la provviste di spessore differenziato lungo la direzione longitudinale del corpo la. Using a layer 3 of rectangular shape, such as the one illustrated in Figures 1 and 2, wound on the member 9 with the axis A parallel to one of its sides, the different number of winding layers of the sheet 1 will give rise to portions of the wall of the tubular body la has differentiated thickness along the longitudinal direction of the body la.

Utilizzando uno strato di rinforzo 5 come quello illustrato nelle figure, anch'esso di forma rettangolare ed estendentesi per un tratto dell'asse A perpendicolarmente ad esso, lungo una fascia dello strato 3, si otterrà a seguito dell'avvolgimento del foglio 1 sull'organo 9 una porzione rinforzata di forma cilindrica coassiale con l'organo 9, incorporata nella parete del corpo tubolare la. By using a reinforcing layer 5 such as the one illustrated in the figures, also rectangular in shape and extending for a portion of the axis A perpendicular to it, along a band of the layer 3, it will be obtained following the wrapping of the sheet 1 on the member 9 a reinforced portion of cylindrical shape coaxial with the member 9, incorporated in the wall of the tubular body la.

Naturalmente, risulterà evidente al tecnico del settore, che modificando convenientemente la forma dello strato 3, così come la forma ed il posizionamento dello strato,di rinforzo 5 rispetto allo strato 3, è possibile ottenere un numero indeterminato di combinazioni che permettono di localizzare in zone predeterminate del corpo tubolare preliminare la porzioni di parete provviste di maggiore o minore spessore così da permettere di modificare a piacere la resistenza meccanica locale della parete del corpo la. Naturally, it will be evident to those skilled in the art that by conveniently modifying the shape of the layer 3, as well as the shape and positioning of the reinforcing layer 5 with respect to the layer 3, it is possible to obtain an indeterminate number of combinations which allow to locate in areas predetermined of the tubular body preliminary the wall portions provided of greater or lesser thickness so as to allow to modify at will the local mechanical resistance of the body wall la.

Quando il corpo preliminare la è stato ottenuto ed è stato separato dall'organo 9, esso è inserito internamente ad uno stampo cavo (non illustrato nelle figure) atto a definire la forma esterna finale del corpo di materiale composito, nel quale il corpo preliminare la è sottoposto ad un processo di formatura e polimerizzazione simultanee alimentando al suo interno un fluido in pressione. When the preliminary body la has been obtained and has been separated from the member 9, it is inserted inside a hollow mold (not shown in the figures) adapted to define the final external shape of the composite material body, in which the preliminary body la it undergoes a simultaneous forming and polymerization process by feeding a pressurized fluid inside.

Per i particolari di esecuzione di tale processo di formatura e polimerizzazione si rimanda alla sopra citata domanda di brevetto italiana T092A000678. In particolare, si intende qui specificare che il fluido in pressione utilizzato potrà essere un liquido, ad esempio riscaldato, oppure un gas caldo o una schiuma che durante una fase di espansione all'interno del corpo la determina una reazione esotermica. Il foglio 7 con funzione di barriera sarà particolarmente utile nel caso in cui si utilizzi un gas, in quanto permetterà di rendere la parete interna del corpo la impermeabile a tale gas, consentendo quindi che il corpo tubolare sia compresso in modo ottimale contro le pareti dello stampo cavo. For the details of execution of this forming and polymerization process, please refer to the aforementioned Italian patent application T092A000678. In particular, it is hereby intended to specify that the pressurized fluid used may be a liquid, for example heated, or a hot gas or a foam which, during an expansion phase inside the body, determines an exothermic reaction. The sheet 7 with barrier function will be particularly useful if a gas is used, as it will make the internal wall of the body impermeable to this gas, thus allowing the tubular body to be optimally compressed against the walls of the hollow mold.

Naturalmente, potrà essere utilizzato uno stampo di tipo riscaldato, eventualmente provvisto di dispositivi atti a generare una depressione in corrispondenza delle sue pareti cave, in modo da far aderire perfettamente ad esse il corpo tubolare la durante l'operazione di formatura e polimerizzazione. Naturally, a heated mold can be used, possibly provided with devices suitable for generating a depression in correspondence with its hollow walls, so as to make the tubular body 1a adhere perfectly to them during the forming and polymerization operation.

Nel caso più generale la forma dello stampo cavo sarà differente da quella sostanzialmente circolare del corpo preliminare la ottenuto, ma il perimetro del corpo tubolare finale non varierà apprezzabilmente nelle sue sezioni trasversali rispetto a quello del corpo preliminare la. In the more general case, the shape of the hollow mold will be different from the substantially circular shape of the preliminary body la obtained, but the perimeter of the final tubular body will not vary appreciably in its cross sections with respect to that of the preliminary body la.

Durante il processo di formatura e polimerizzazione il corpo preliminare la è sottoposto ad esempio ad una pressione variabile fra 20 e 50 bar. During the forming and polymerization process, the preliminary body la is subjected, for example, to a pressure varying between 20 and 50 bar.

La temperatura dello stampo, nel caso in cui esso sia riscaldato, varierà fra circa 130 e 170°C così da garantire una prima polimerizzazione della resina termoindurente. The temperature of the mold, if it is heated, will vary between about 130 and 170 ° C so as to guarantee a first polymerization of the thermosetting resin.

Lo stampo potrà essere mantenuto nella configurazione chiusa, per permettere l'esecuzione dell’operazione di formatura e polimerizzazione ad esempio per un tempo variabile fra 90 e 150 secondi. The mold can be kept in the closed configuration, to allow the execution of the forming and polymerization operation, for example for a variable time between 90 and 150 seconds.

Quando l'operazione di formatura e polimerizzazione è terminata lo stampo è aperto per estrarre il corpo di materiale composito finale che avrà raggiunto una prepolimerizzazione pari sostanzialmente a circa il 95% della polimerizzazione totale. When the forming and polymerization operation is finished the mold is open to extract the body of final composite material which will have reached a prepolymerization substantially equal to about 95% of the total polymerization.

Si riporta nel seguito un esempio che meglio illustra i materiali che si possono impiegare con il procedimento secondo l'invenzione e le caratteristiche che il corpo di materiale composito ottenuto con essi può presentare. An example is given below which better illustrates the materials that can be used with the process according to the invention and the characteristics that the body of composite material obtained with them can have.

Si può utilizzare un mat di SMC con uno spessore di 0,8 mm con fibre di rinforzo di vetro del tipo E con carica al 30%. A 0.8 mm thick SMC mat with 30% filler type E glass reinforcing fibers can be used.

Sul mat è sovrapposto un foglio di polipropilene avente uno spessore di 0,1 mm. A polypropylene sheet with a thickness of 0.1 mm is superimposed on the mat.

Proprietà meccaniche e fisiche dell’SMC polimerizzato : Mechanical and physical properties of the polymerized SMC:

seguente composizione: following composition:

Claims

CLAIMS 1. Process for the production of a tubular body of composite material, characterized in that it comprises the following operations: '' preparing a sheet of composite material (1) including resistant fibers soaked in an uncured thermosetting plastic resin, providing a cylindrical shaping member (9) capable of substantially defining the internal dimension of a preliminary tubular body (la), forming said tubular body preliminary (la) by wrapping the sheet of composite material (1) on said conforming member (9) determining at least one overlapping area, so that the wall of the preliminary body (la) obtained following the wrapping of said sheet (1 ) having at least a portion comprising a number of layers different from that of adjacent portions, separating the preliminary tubular body (la) from the shaping member (9), and subjecting the preliminary tubular body (la) to a process of simultaneous forming and polymerization inside a hollow mold by feeding a pressurized fluid inside the preliminary tubular body.

2. Process according to claim 1, characterized in that the wrapping of the sheet of composite material (1) on said conforming member (9) determines a different overlapping of the sheet (1) between portions of the wall of the preliminary body (la) which they extend longitudinally with respect to one of its general axes (A).

3. Process according to claim 1 or 2, characterized in that the shaping member (9) has an external dimension smaller than the internal dimension of the preliminary body (la) and by the fact that the sheet of composite material (1) is wound on it loosely.

4. Process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that an auxiliary sheet (7) is arranged between the sheet of composite material (1) and the shaping member (9), which acts as a barrier against the fluid in pressure fed into the preliminary body (la) during the forming and curing process.

Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a reinforcing layer (5) is applied to at least a portion of the composite material sheet (1), so as to define the preliminary body wall (la), following the winding of said sheet (1) on the shaping element, at least a portion provided with greater resistance than the remaining parts of the wall of the preliminary body (la).

6. Process according to claim 5, characterized in that said reinforcing layer (5) allows to obtain a reinforced cylindrical portion of the wall of the tubular body (la).

7. Tubular body made by means of the method according to any one of claims 1 to 6.