I materiali compositi, come la plastica rinforzata con fibra di carbonio, sono materiali altamente versatili ed efficienti che guidano l’innovazione in vari mercati, dall’aerospaziale all’assistenza sanitaria. Ottengono risultati migliori rispetto a materiali come acciaio, alluminio, legno o plastica e consentono la realizzazione di prodotti leggeri e performanti.
In questa guida imparerai le basi della produzione di parti in fibra di carbonio, nonché i diversi metodi di produzione e come puoi utilizzare una stampante 3D per ridurre i costi e risparmiare tempo.
Cosa sono i materiali compositi?
Un materiale composito è una combinazione di due o più parti che, una volta unite, hanno caratteristiche diverse da quelle che i componenti avrebbero separatamente. Le proprietà ingegneristiche sono spesso migliorate, come resistenza, efficienza o durata. I compositi sono costituiti da fibre o particelle di rinforzo che sono legate insieme da una matrice (polimero, metallo o ceramica).
I polimeri rinforzati con fibre dominano il mercato e hanno alimentato la crescita di nuove applicazioni in vari settori. Tra questi, la fibra di carbonio è un composito ampiamente utilizzato, soprattutto per la produzione di aeroplani, auto da corsa e biciclette, poiché è tre volte più resistente e resistente dell’alluminio, ma più leggero del 40%. È realizzato in fibra di carbonio rinforzata legata con una resina epossidica.
Le fibre possono essere tessute unidirezionalmente e strategicamente allineate per creare forza rispetto a un vettore. Le fibre a trama incrociata possono essere utilizzate per creare resistenza multi-vettore e sono anche responsabili dell’aspetto trapuntato tipico delle parti composite. È comune che le parti vengano prodotte con una combinazione di entrambi i metodi. Sono disponibili diversi tipi di fibre, tra cui le seguenti:
FIBRA DI VETRO
- Fibra più popolare
- Leggera con moderata resistenza alla trazione e alla compressione
- Basso costo e facile da lavorare
FIBRA DI CARBONIO
- Il più alto rapporto resistenza/rigidità/peso del settore (resistenza alla rottura a trazione, compressione e flessione)
- Più costoso di altre fibre
FIBRA ARAMIDICA (KEVLAR)
- Maggiore resistenza all’impatto e all’abrasione rispetto alla fibra di carbonio
- Bassa resistenza alla compressione
- Difficile da tagliare o lavorare
La resina viene utilizzata per legare insieme queste fibre per creare un composito rigido. Sebbene si possano utilizzare centinaia di tipi di resine, queste sono le più popolari:
| RESINA | VANTAGGIO | INCONVENIENTI | CURATO |
|---|---|---|---|
| resina epossidica | Massimo carico di rottura Peso minimo Massima durata |
Il più costoso Sensibile per miscelare proporzioni e variazioni di temperatura |
Utilizzare un indurente specifico (sistema in due parti) Alcuni epossidici richiedono calore |
| Poliestere | Facile da usare (più popolare) Resistente ai raggi UV Costo più basso |
Bassa tenacità e resistenza alla corrosione | Polimerizza con un catalizzatore (MEKP) |
| vinilestere | Combina le prestazioni della resina epossidica con il costo del poliestere . Migliore resistenza alla corrosione, alla temperatura e all’allungamento |
Tenacità inferiore rispetto alla resina epossidica e costo maggiore rispetto al poliestere Durata di conservazione limitata |
Polimerizza con un catalizzatore (MEKP) |
Tre metodi per creare parti in fibra di carbonio
La produzione di polimeri rinforzati con fibre, come le parti in fibra di carbonio, è un processo ad alta intensità di abilità e manodopera utilizzato nella produzione sia una tantum che in batch. I tempi di ciclo variano da un’ora a 150 ore a seconda delle dimensioni e della complessità del pezzo. Tipicamente nella produzione di polimeri rinforzati con fibre, le fibre diritte e continue vengono legate alla matrice per formare strati individuali che vengono laminati strato per strato nella parte finale.
Le proprietà delle mescole sono determinate sia dai materiali che dal processo di laminazione: il modo in cui le fibre vengono incorporate ha una grande influenza sulle prestazioni del pezzo. Le resine termoindurenti vengono modellate insieme al rinforzo utilizzando uno strumento o uno stampo e polimerizzate per formare un prodotto robusto. Sono disponibili diverse tecniche di laminazione, che possono essere suddivise in tre tipologie principali:
1. Laminazione a umido
Nella laminazione a umido, la fibra viene tagliata e posizionata nello stampo. La resina viene poi applicata con pennello, rullo o pistola a spruzzo. Questo metodo richiede la massima abilità per creare parti di alta qualità, ma è anche il processo di lavoro meno costoso, con i requisiti più bassi per iniziare a produrre parti in fibra di carbonio da solo. Se sei nuovo nella produzione di parti in fibra di carbonio e non hai ancora l’attrezzatura giusta, ti consigliamo di iniziare con la laminazione a umido a mano.
2. Laminazione preimpregnata
Con la laminazione prepreg, la fibra viene preventivamente impregnata di resina. I fogli preimpregnati vengono conservati al freddo per inibire l’indurimento. Gli strati vengono quindi polimerizzati nello stampo sotto calore e pressione in autoclave. Questo è un processo più preciso e ripetibile perché la quantità di resina è controllata, ma è anche la tecnica più costosa spesso utilizzata nelle applicazioni ad alta produttività.
3. Stampaggio a trasferimento di resina (RTM)
Con l’RTM, la fibra secca viene inserita in uno stampo in due parti. Lo stampo viene bloccato prima che la resina venga introdotta nella cavità ad alta pressione. In genere, questo processo è automatizzato e viene utilizzato per la produzione ad alto volume.
Realizzazione di stampi stampati in 3D per la realizzazione di particolari in fibra di carbonio
Poiché la qualità dello stampo ha un impatto diretto sulla qualità della parte finale, la creazione degli strumenti è un aspetto critico della produzione di polimeri fibrorinforzati. La maggior parte degli stampi sono prodotti da cera, schiuma, legno, plastica o metallo utilizzando lavorazioni CNC o metodi artigianali.
Sebbene le tecniche manuali richiedano molto lavoro, la lavorazione CNC è ancora un processo di lavoro complesso e dispendioso in termini di tempo (soprattutto per geometrie complesse) e l’outsourcing è spesso costoso con lunghi tempi di consegna. Entrambe le opzioni richiedono personale qualificato e offrono poca flessibilità per le iterazioni del progetto o le modifiche dello stampo.
La produzione additiva offre una soluzione per produrre stampi e modelli in modo rapido ea basso costo. L’uso di strumenti polimerici nei processi di produzione continua a crescere. La sostituzione degli utensili in metallo con parti in plastica stampate in loco è un modo efficace ed economico per ridurre i tempi di produzione, ampliando al contempo la flessibilità di progettazione.
Gli ingegneri stanno già lavorando con parti stampate in 3D in resina polimerica per la produzione di dispositivi di bloccaggio e fissaggio per supportare metodi come l’ avvolgimento del filamento o il posizionamento automatico della fibra. Inoltre, gli stampi e le matrici stampati vengono utilizzati in piccole tirature nello stampaggio a iniezione, termoformatura o formatura lamiera per consegnare spedizioni a basso volume.
La stampa 3D desktop in loco non richiede molte attrezzature e riduce la complessità del processo di lavoro. Le stampanti desktop professionali come la Form 3 sono convenienti e facili da integrare nei processi di lavoro e possono essere rapidamente ampliate all’aumentare della domanda. La realizzazione di utensili e stampi di grandi dimensioni è possibile anche con stampanti 3D di grande formato come la Form 3L .
La tecnologia di stampa 3D stereolitografica (SLA) crea parti con una finitura superficiale molto liscia, essenziale per uno stampo di laminazione. Permette di creare geometrie complesse con grande precisione. Inoltre, il portafoglio di resine di 3d-type comprende materiali tecnici con proprietà meccaniche e termiche che si adattano bene alla realizzazione di stampi e modelli.
Per la produzione su piccola scala, gli ingegneri possono stampare lo stampo direttamente a basso costo e in poche ore senza doverlo intagliare a mano o occuparsi di attrezzature CNC. Ciò ti evita di dover gestire cose come software CAM, configurazione della macchina, apparecchiature di fissaggio, utensili e rimozione dei trucioli. I tempi di consegna e la manodopera per la produzione di stampi sono notevolmente ridotti, consentendo rapide iterazioni di progettazione e personalizzazione delle parti. Puoi anche ottenere stampi con forme complicate e dettagli precisi che sarebbe difficile realizzare in modo tradizionale.
Il team Formula Student dell’Università Tecnica di Berlino (FaSTTUBe) ha prodotto una dozzina di parti in fibra di carbonio per auto da corsa. Gli ingegneri del team laminano a mano su uno stampo stampato direttamente con LAB X2. Questa resina è caratterizzata da un modulo elastico di 1,5 GPa e un allungamento a rottura del 51%. Non solo è resistente e di supporto durante la laminazione, ma è anche sufficientemente flessibile da separare la parte dallo stampo dopo l’indurimento.
Sebbene questa tecnica non sia associata a condizioni di polimerizzazione intensiva, altri processi di laminazione spesso comportano temperature e pressioni più elevate. DeltaWing Manufacturing utilizza la resina ad alta temperatura per creare elementi di ventilazione durante il periodo di preimpregnazione. High Temp Resin ha una temperatura di flessione sotto carico di 238°C a 0,45 MPa ed è in grado di resistere al calore e alla pressione di un’autoclave. DeltaWing Manufacturing ha stampato stampi direttamente per produrre una serie di circa 10 parti personalizzate.
Gli stampi polimerici stampati in 3D diretti sono strumenti eccellenti per ottimizzare la produzione di piccole serie. Tuttavia, la loro vita utile è inferiore a quella degli stampi tradizionali, il che li rende inadatti a serie di grandi volumi.
Per aumentare la produzione, DeltaWing Manufacturing stampa modelli di stampi con High Temp Resin e poi li fonde in resina. La stampa del modello è un’alternativa ai processi di laminazione che richiedono una polimerizzazione intensiva che non sono adatti per stampi stampati in 3D. I produttori possono stampare modelli personalizzati su richiesta, eliminando così una fase nella loro tecnica di creazione degli stampi, la creazione di modelli.
Inizia a lavorare con la produzione di fibra di carbonio
La produzione di polimeri rinforzati con fibre è un processo complesso e laborioso, ma comunque entusiasmante. L’uso di stampi e modelli stampati in 3D consente alle aziende di ridurre la complessità del processo di lavoro, espandere la flessibilità e le opportunità di progettazione e ridurre i costi e i tempi di consegna.
Utilizzando casi di studio con l’Università tecnica di Berlino e DeltaWing Manufacturing, il nostro white paper presenta tre flussi di lavoro per sfruttare la stampa 3D nella produzione di compositi con la creazione rapida di stampi e modelli.
