IT201700019306A1 - Procedimento e semilavorato per fabbricare prodotti compositi e prodotti così ottenuti - Google Patents

Procedimento e semilavorato per fabbricare prodotti compositi e prodotti così ottenuti

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IT201700019306A1
IT201700019306A1 IT102017000019306A IT201700019306A IT201700019306A1 IT 201700019306 A1 IT201700019306 A1 IT 201700019306A1 IT 102017000019306 A IT102017000019306 A IT 102017000019306A IT 201700019306 A IT201700019306 A IT 201700019306A IT 201700019306 A1 IT201700019306 A1 IT 201700019306A1
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mold
resin
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Fabio Marcelli
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Automobili Lamborghini Spa
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Description

PROCEDIMENTO E SEMILAVORATO PER FABBRICARE PRODOTTI
COMPOSITI E PRODOTTI COSÌ OTTENUTI
CAMPO TECNICO
La presente descrizione riguarda un procedimento per fabbricare prodotti compositi comprendenti strati di fibre, in particolare strati di tessuti in fibre di carbonio. La presente descrizione riguarda anche un semilavorato che può essere usato in tale procedimento ed un prodotto realizzato con tale procedimento e/o con questo semilavorato.
INQUADRAMENTO DELLA DESCRIZIONE
II noto procedimento RTM (Resin Transfer Moulding) può essere impiegato per produrre pezzi in materiali compositi comprendenti tessuti di fibre di carbonio. In tale procedimento noto uno o più strati sovrapposti di tessuto secco, ossia tessuto sostanzialmente non impregnato con resine, sono disposti tra almeno due stampi complementari, nei quali viene poi iniettata resina ad alta pressione miscelata con indurente, in modo che la resina polimerizza nello stampo per ottenere il prodotto finito.
In una variante di tale procedimento, nota come RTM-L (RTM-Light), la resina viene iniettata ad una pressione inferiore così da aumentare la longevità degli stampi e ridurre i costi d’investimento.
Tuttavia, durante l’iniezione della resina nei procedimenti RTM ed RTM-L, le fibre degli strati di tessuto, soprattutto degli strati esterni, si spostano a causa dei gradienti di pressione della resina nella fase di impregnazione, con conseguente perdita della regolarità della tessitura e quindi peggioramento dell’aspetto estetico del prodotto finito.
Un altro tipo di procedimento noto impiega tessuti già impregnati di resina, noti come prepreg, che vengono riscaldati e pressati su almeno uno stampo senza iniettare ulteriore resina. Questo procedimento noto consente di ottenere prodotti compositi con uno strato esterno che mantiene la regolarità della tessitura anche dopo la polimerizzazione della resina, tuttavia è più costoso del procedimento RTM e consente di ottenere solo prodotti con proprietà strutturali inferiori, a causa della preimpregnazione degli strati.
SOMMARIO DELLA DESCRIZIONE
Scopo della presente descrizione è pertanto quello di fornire un procedimento esente da tali inconvenienti. Detto scopo viene conseguito con un procedimento ed un semilavorato le cui caratteristiche principali sono specificate nelle rivendicazioni allegate.
Grazie al procedimento della presente descrizione, pezzi in materiale composito possono essere prodotti con un buon aspetto estetico ed ottime proprietà strutturali, impiegando tessuti secchi di fibre e stampi in cui viene iniettata resina ed indurente. Pertanto, il presente procedimento è adatto ad essere automatizzato, almeno parzialmente, grazie anche al semilavorato secondo la presente descrizione che può essere preparato in una fase preliminare. Almeno una superficie esterna del prodotto così ottenuto comprende infatti un tessuto con una tessitura sostanzialmente regolare avente un’elevata qualità visiva che può soddisfare gli elevati standard richiesti nel settore automobilistico, come ad esempio lo standard “Class A”.
Pertanto, mentre i procedimenti RTM noti non consentono di garantire prodotti con elevate caratteristiche estetiche, a causa delle deformazioni e dei movimenti delle fibre dello strato di tessuto esterno durante la fase di iniezione, il procedimento della presente descrizione permette invece di ottenere prodotti aventi un aspetto del tutto simile a quello dei prodotti ottenuti con procedimenti con prepreg. Questo procedimento unisce quindi i vantaggi dei ridotti tempi e delle ottime proprietà meccaniche dei prodotti tipici dei procedimenti RTM alle migliori finiture estetiche come nei prodotti ottenuti procedimenti con prepreg.
Tali vantaggi sono ottenuti soprattutto grazie allo strato di resina non polimerizzato che mantiene lo strato esterno di tessuto aderente ad una superficie funzionale dello stampo già prima che venga iniettata la resina che impregna questo strato di tessuto e gli strati strutturali sovrapposti ad esso. L’indurente iniettato con la resina comprende inoltre una quantità sufficiente anche a polimerizzare la resina applicata sullo strato di tessuto.
Grazie inoltre ad un velo termoplastico applicato tra lo strato di tessuto ed uno strato strutturale adiacente ad esso, lo strato di tessuto viene ulteriormente mantenuto nella posizione corretta durante l’iniezione della resina.
Il presente procedimento viene inoltre semplificato usando un semilavorato comprendente lo strato di tessuto, lo strato di resina sostanzialmente privo di indurente ed il velo termoplastico. Il semilavorato può essere facilmente tagliato in sagome predefinite ed anche immagazzinato per un uso successivo. Il prodotto ottenuto mediante tale procedimento o semilavorato può essere distinto dai prodotti noti in materiale composito grazie alla presenza del velo termoplastico tra lo strato di tessuto esterno e lo strato strutturale adiacente.
Durante alcune fasi particolari del procedimento, lo strato di tessuto e gli strati strutturali vengono pressati e/o riscaldati su almeno uno stampo per migliorare l’unione tra questi strati prima dell’iniezione della resina e quindi ottenere un migliore prodotto finale.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Ulteriori vantaggi e caratteristiche del procedimento, del semilavorato e del prodotto secondo la presente descrizione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente descrizione dettagliata e non limitativa di una loro forma realizzativa con riferimento agli annessi disegni in cui:
la figura 1 mostra una vista schematica di una fase operativa preliminare del procedimento;
la figura 2 mostra una vista ingrandita in sezione del semilavorato ottenuto dalla fase operativa preliminare;
le figure 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 e 17 mostrano viste schematiche in sezione di ulteriori fasi operative del procedimento;
le figure 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 e 18 mostrano viste ingrandite dei dettagli IV, VI, Vin, X, XII, XIV, XVI e XVIII rispettivamente delle figure 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 e 17.
FORME REALIZZATIVE ESEMPLIFICATIVE
Facendo riferimento alla figura 1, si vede che in una fase operativa preliminare del procedimento, per ottenere un semilavorato, almeno uno strato 1 di tessuto di fibre viene preferibilmente pressato, ad esempio con una calandra 2, in modo da eliminare meati di luce tra trama e ordito e da aumentare la tensione dei fili, così da rendere la struttura del tessuto più compatta. Lo strato 1 di tessuto è preferibilmente un tessuto di fibre per materiali compositi, in particolare fibre di carbonio, avente una trama sostanzialmente uniforme e/o uno spessore tra 0,1 e 0,8 mm, in particolare tra 0,2 e 0,3 mm, ad esempio un tessuto di fibre di carbonio con tessiture di tipo “Twill”, “Plain”, “Satin”, “Braided”, “Unidirectional” od altro tipo di tessitura uniforme e/o regolare, in particolare avente una grammatura tra 230 e 260 g/m<2>. Preferibilmente, il tessuto dello strato 1 di tessuto è sostanzialmente secco, ossia provvisto di una quantità inferiore al 10% in peso di additivi, come adesivi o fissatori. Almeno uno strato di resina 3 per materiali compositi non polimerizzata e sostanzialmente priva di indurente, in particolare una resina epossidica, viene applicato su almeno una superficie dello strato esterno 1, in particolare mediante un nebulizzatore 4. La resina 3 può essere ad esempio la resina XB 3518 prodotta dalla Huntsman Corporation, e viene applicata sullo strato esterno 1 in una quantità compresa tra 2% e 7% in peso dello strato esterno 1, in particolare tra 5 e 19 gr/m<2>, più in particolare circa 12 gr/m<2>. Un foglio protettivo 5, in particolare di materiale plastico, ad esempio Mylar, che non assorba umidità e quindi non generi ritiri dello stesso se varia l’umidità, viene applicato da una calandra 6 sulla superficie del tessuto 1 provvista della resina 3, che quindi viene coperta dal foglio protettivo 5. Questo accorgimento consente di evitare grinze nel tessuto 1 e preservare nel suo stato iniziale lo strato di resina 3, che quindi non viene sostanzialmente alterato dalle condizioni ambientali, in particolare evitando l’avvio del processo di polimerizzazione. Pertanto, poiché la resina 3 non è attivata, il foglio protettivo 5 è applicato in maniera removibile allo strato di resina 3.
Un velo termoplastico 7, preferibilmente comprendente almeno una rete di nylon, polipropilene, ABS, PLA, policarbonato o polietilentereftalato, è applicato mediante una calandra 8 sulla superficie dello strato esterno 1 opposta alla superficie provvista dello strato di resina 3. Lo strato 1 di tessuto così ottenuto viene quindi tagliato tramite una macchina di taglio 9 provvisto di una determinata sagoma ed il risultante semilavorato 10 così tagliato può essere arrotolato e/o racchiuso in una busta sigillata 11 per ridurre la contaminazione con agenti esterni, come umidità o pulviscolo di carbonio volatile, durante lo stoccaggio.
La figura 2 mostra il semilavorato 10 comprendente lo strato 1 di tessuto che è provvisto dello strato di resina 3 coperta dal foglio protettivo 5, è unito al velo termoplastico 7 ed è inserito nella busta 11.
Facendo riferimento ora alle figure 3 e 4, si vede che in una prima fase del procedimento il semilavorato 10 viene estratto dalla busta 11, separato dal foglio protettivo 5 e disposto su un primo stampo 12, che ha preferibilmente la superficie funzionale convessa e/o è realizzato in materiale composito, in particolare contenente fibra di carbonio, con lo strato di resina 3 disposto tra lo strato esterno 1 ed il primo stampo 12. Il velo termoplastico 7 è quindi rivolto dalla parte opposta al primo stampo 12.
Facendo riferimento ora alle figure 5 e 6, si vede che in una fase successiva del procedimento lo strato esterno 1 viene coperto con un sacco a vuoto 13 e pressato sul primo stampo 12 pompando via l’aria, così che la pressione dell’aria nel sacco a vuoto 13 viene ridotta, in particolare sotto 130 mbar. Il sacco a vuoto 13 comprende un film distaccante 14 non forato per impedire l’aspirazione della resina 3 depositata sul tessuto 1, nonché un bleeder 15 in Nylon avente una grammatura inferiore rispetto alla grammatura dei bleeder noti usati nei procedimenti con prepreg, in particolare una grammatura inferiore a 180 gr/m<2>, più in particolare circa 170 gr/m<2>.
Facendo riferimento ora alle figure 7 e 8, si vede che in una fase successiva del procedimento il sacco a vuoto 13 viene rimosso dallo strato esterno 1 ed almeno un primo strato interno 16 di fibre, preferibilmente comprendente uno o più tessuti secchi di fibre di carbonio per applicazioni strutturali, è applicato sullo strato esterno 1. Il primo strato interno 16 ha in particolare una grammatura compresa tra 700 e 900 g/m<2>e/o uno spessore compreso tra 1 e 8 mm. Almeno un distanziale 17 in materiale plastico, preferibilmente materiale plastico espanso, può essere disposto sul primo strato interno 16, che viene quindi coperto completamente o parzialmente dal distanziale 17. Almeno una superficie del primo strato interno 16, in particolare la superficie opposta allo strato esterno 1, può essere provvista di un legante 18, ad esempio fili termoplastici misti alle fibre di carbonio oppure un film adesivo.
Facendo riferimento ora alle figure 9 e 10, si vede che in una fase successiva del procedimento lo strato esterno 1 ed il primo strato interno 16, con il distanziale 17 se presente, possono essere coperti con un sacco a vuoto 19, ad esempio uguale al sacco a vuoto 13, e pressati sul primo stampo 12 pompando via l’aria. Contemporaneamente, gli strati 1 e 16 vengono riscaldati ad una temperatura compresa tra 70° e 90° C, ad esempio mediante radiatori ad infrarossi, in modo da comprimere e fondere almeno parzialmente il velo termoplastico 7 per unire lo strato esterno 1 al primo strato interno 16, nonché il primo strato interno 16 al distanziale 17 mediante il legante 18.
Facendo riferimento ora alle figure 11 e 12, si vede che in una fase successiva del procedimento il sacco a vuoto 19 viene rimosso dal primo strato interno 16 ed almeno un secondo strato interno 20, preferibilmente comprendente uno o più tessuti secchi di fibre di carbonio per applicazioni strutturali, può essere applicato sul primo strato interno 16 e/o sul distanziale 17, se presente. Il secondo strato interno 20 ha in particolare una grammatura compresa tra 700 e 900 g/m<2>e/o uno spessore compreso tra 1 e 8 mm. Almeno una superficie del secondo strato interno 20, in particolare la superficie rivolta verso lo strato esterno 1, può essere provvista di un legante 21, ad esempio fili termoplastici misti alle fibre di carbonio oppure un film adesivo.
Facendo riferimento ora alle figure 13 e 14, si vede che in una fase successiva del procedimento lo strato esterno 1, il primo strato interno 16 ed il secondo strato interno 20, con il distanziale 17 se presente, possono essere coperti con un sacco a vuoto 22, ad esempio uguale al sacco a vuoto 13, e pressati sul primo stampo 12 pompando via l’aria. Contemporaneamente, gli strati 1, 16, 20 vengono riscaldati ad una temperatura compresa tra 70° e 90° C, ad esempio mediante radiatori ad infrarossi, in modo da unire il secondo strato interno 20 al distanziale 17 mediante il legante 21.
Facendo riferimento ora alle figure 15 e 16, si vede che in una fase successiva del procedimento lo strato esterno 1, il primo strato interno 16 ed il secondo strato interno 20, con il distanziale 17 se presente, vengono coperti da almeno un secondo stampo 23, in modo che questi strati 1, 16, 20 siano disposti tra almeno il primo stampo 12 ed il secondo stampo 23 in una cavità chiusa ermeticamente, in particolare da almeno una guarnizione perimetrale disposta tra questi stampi. Preferibilmente, il secondo stampo 23 ha la superficie funzionale concava e/o è realizzato in materiale composito, in particolare contenente fibra di carbonio. Gli stampi 12, 23 vengono quindi fissati tra loro e riscaldati, ad esempio in un forno ad una temperatura compresa tra 45 e 90 °C, dopodiché resina ed indurente vengono iniettati tra gli stampi 12, 23 attraverso almeno un primo ugello 24 per impregnare gli strati 1, 16, 20. Contemporaneamente, aria viene aspirata dagli stampi 12, 23 attraverso almeno un secondo ugello 25, come ad esempio in un procedimento RTM. Gli ugelli 24 e/o 25 sono preferibilmente disposti in corrispondenza di almeno un bordo degli strati 1, 16 e/o 20, in modo che l’iniezione e/o l’aspirazione avvengano con direzioni sostanzialmente tangenziali rispetto a questo bordo.
L’indurente mescolato con la resina iniettata attraverso il primo ugello 24 comprende una prima quantità di indurente sufficiente a polimerizzare questa resina nonché una seconda quantità di indurente sufficiente a polimerizzare anche la resina 3 applicata allo strato esterno 1. Preferibilmente, la resina iniettata negli stampi 12, 23 è la stessa resina 3 applicata allo strato esterno 1, in particolare una resina epossidica come ad esempio la resina XB 3518 prodotta dalla Huntsman Corporation. Preferibilmente, tali prima quantità e seconda quantità di indurente includono un indurente compatibile sia con la resina iniettata sia con la resina 3, in particolare uno stesso indurente amminico come ad esempio l’indurente Aradur<®>22962 prodotto dalla Huntsman Corporation.
Preferibilmente, la prima quantità in peso di indurente mescolato con la resina iniettata è compresa tra 20% e 30% della quantità in peso della resina iniettata, mentre la seconda quantità in peso di indurente aggiunto per la resina 3 è compresa tra 1,5% e 55% di questa prima quantità.
Facendo riferimento ora alle figure 17 e 18, si vede che, dopo che la resina iniettata ha impregnato gli strati 1, 16 e 20 ed ha polimerizzato grazie all indurente iniettato, e che anche la resina 3 sullo strato 1 ha polimerizzato sempre grazie all’indurente iniettato, il pezzo 26 finito che include lo strato esterno 1, il velo termoplastico 7, uno o più strati interni 16, 20, nonché almeno un distanziale 17 se previsto, viene estratto dagli stampi 12, 23 e rifinito per fuso.
Eventuali varianti od aggiunte possono essere apportate dagli esperti del ramo alla forma realizzativa qui descritta ed illustrata restando nell’ ambito delle seguenti rivendicazioni. In particolare, ulteriori forme realizzative possono comprendere le caratteristiche tecniche di una delle seguenti rivendicazioni con l’aggiunta di una o più caratteristiche tecniche descritte nel testo od illustrate nei disegni, prese singolarmente od in qualsiasi combinazione reciproca.

Claims (21)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per fabbricare prodotti in materiale composito, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi operative: - disporre tra un primo stampo (12) ed almeno un secondo stampo (23) almeno uno strato (1) di tessuto di fibre per materiali compositi ed almeno un primo strato (16) di fibre per materiali compositi, in cui uno strato (3) di resina per materiali compositi, non polimerizzata e sostanzialmente priva di indurente, è disposto tra lo strato (1) di tessuto ed il primo stampo (12); - iniettare resina ed indurente tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23) per impregnare con la resina iniettata lo strato (1) di tessuto ed il primo strato (16) di fibre e polimerizzare con l’indurente iniettato la resina iniettata e lo strato (3) di resina.
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che almeno un velo termoplastico (7) è disposto tra lo strato (1) di tessuto ed il primo strato (16) di fibre.
  3. 3. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno un secondo strato (20) di fibre è disposto tra il primo strato (16) di fibre ed il secondo stampo (23) prima di iniettare la resina tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23), in modo che anche il secondo strato (20) di fibre è impregnato dalla resina iniettata.
  4. 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno un distanziale (17) è disposto tra il primo strato (16) di fibre ed il secondo strato (20) di fibre prima di iniettare la resina tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23).
  5. 5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato (3) di resina è applicato sullo strato (1) di tessuto prima di disporre questo strato (1) di tessuto sul primo stampo (12).
  6. 6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato (3) di resina è a contatto con il primo stampo (12) quando lo strato (1) di tessuto è disposto tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23).
  7. 7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’indurente iniettato tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23) comprende una prima quantità di indurente sufficiente a polimerizzare la resina iniettata nonché una seconda quantità di indurente sufficiente a polimerizzare anche lo strato (3) di resina disposto sullo strato (1) di tessuto.
  8. 8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che prima di iniettare la resina tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23) lo strato (1) di tessuto viene coperto con un sacco a vuoto (13) e pressato sul primo stampo (12) pompando via l’aria, in cui il sacco a vuoto (13) comprende un film distaccante (14) non forato.
  9. 9. Procedimento secondo una delle rivendicazioni 2-8, caratterizzato dal fatto che prima di iniettare la resina tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23) lo strato (1) di tessuto ed il primo strato (16) di fibre sono coperti con un sacco a vuoto (19), pressati sul primo stampo (12) e riscaldati, in modo da comprimere e fondere almeno parzialmente il velo termoplastico (7) per unire lo strato (1) di tessuto al primo strato (16) di fibre.
  10. 10. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato (1) di tessuto viene pressato prima di essere disposto tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23).
  11. 11. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la resina viene iniettata tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23) attraverso almeno un ugello (24) disposto in corrispondenza di un almeno un bordo dello strato (1) di tessuto o del primo strato (16), in modo che l’iniezione della resina avvenga con una direzione sostanzialmente tangenziale rispetto a questo bordo.
  12. 12. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che quando la resina viene iniettata tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23) aria viene aspirata da questi stampi (12, 23) attraverso almeno un ugello (25) disposto in corrispondenza di un almeno un bordo dello strato (1) di tessuto o del primo strato (16), in modo che l’aspirazione dell’aria avvenga con una direzione sostanzialmente tangenziale rispetto a questo bordo.
  13. 13. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la resina iniettata tra il primo stampo (12) ed il secondo stampo (23) è la stessa resina (3) applicata allo strato (1) di tessuto.
  14. 14. Prodotto in materiale composito, il quale comprende resina polimerizzata che include almeno uno strato (1) di tessuto di fibre per materiali compositi ed almeno un primo strato (16) di fibre per materiali compositi, caratterizzato dal fatto almeno un velo termoplastico (7) è disposto tra lo strato (1) di tessuto ed il primo strato (16) di fibre.
  15. 15. Procedimento o prodotto secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il primo strato (16) di fibre od il secondo strato (20) di fibre comprendono uno o più tessuti secchi di fibre di carbonio, hanno uno spessore compreso tra 1 e 8 mm e/o una grammatura compresa tra 700 e 900 g/m<2>.
  16. 16. Semilavorato per fabbricare prodotti in materiale composito, il quale comprende almeno uno strato (1) di tessuto di fibre per materiali compositi, caratterizzato dal fatto che almeno uno strato (3) di resina per materiali compositi, non polimerizzata e sostanzialmente priva di indurente, è applicato su almeno una superficie dello strato (1) di tessuto e che almeno un velo termoplastico (7) è applicato sulla superficie dello strato (1) di tessuto opposta alla superficie provvista dello strato (3) di resina.
  17. 17. Semilavorato secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che un foglio protettivo (5) è applicato in maniera removibile allo strato (3) di resina.
  18. 18. Procedimento, semilavorato o prodotto secondo una delle rivendicazioni da 2 a 17, caratterizzato dal fatto che il velo termoplastico (7) comprende una rete di Nylon, polipropilene, ABS, PLA, policarbonato o polietilentereftalato.
  19. 19. Procedimento, semilavorato o prodotto secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato (1) di tessuto comprende un tessuto secco di fibre di carbonio e con una tessitura sostanzialmente uniforme.
  20. 20. Procedimento, semilavorato o prodotto secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo strato (1) di tessuto ha uno spessore compreso tra 0,2 e 0,3 mm e/o una grammatura tra 230 e 260 g/m<2>.
  21. 21. Procedimento secondo una delle rivendicazioni 1-13, 15 o 18-20 oppure semilavorato secondo una delle rivendicazioni 16-20, caratterizzato dal fatto che lo strato (3) di resina è applicato sullo strato (1) di tessuto in una quantità compresa tra 2% e 7% in peso dello strato (1) di tessuto.
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