ITMI20101072A1 - Processo e dispositivi per fabbricare prodotti in materiali compositi - Google Patents
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Description
PROCESSO E DISPOSITIVI PER FABBRICARE PRODOTTI IN MATERIALI
COMPOSITI
La presente invenzione riguarda un processo per fabbricare prodotti in materiali compositi, nonché dispositivi di stampaggio, in particolare stampi e relativi master, che possono essere impiegati per realizzare tale processo.
Il noto processo RTM (Resin Transfer Molding) impiega stampi realizzati in acciaio per resistere alle alte pressioni, anche maggiori di 15 bar, necessarie per l’iniezione della resina.
La sagomatura degli strati di fibre e la successiva loro deposizione negli stampi può essere automatizzata, rendendo molto più ripetibili ed economiche le parti prodotte con questo processo, tuttavia gli stampi del processo RTM sono pesanti, costosi ed ingombranti. Inoltre, gli stampi metallici richiedono una progettazione complessa che deve tenere conto della loro dilatazione termica durante il ciclo di polimerizzazione della resina, per evitare che il prodotto stampato possa bloccarsi all’interno di un stampo.
Per ovviare a questi problemi tecnici à ̈ noto il processo RTM-Light, in cui uno stampo semirigido viene posto sopra uno stampo rigido. La resina viene iniettata ad una pressione inferiore ad 1 bar e viene aspirata aria (0,5 bar) da un punto centrale basso per favorire lo scorrimento della resina. L’unione tra i due stampi à ̈ ottenuta creando il vuoto (0,1 bar) lungo i bordi dei due stampi. Questo processo, pur essendo semplice da realizzare con dispositivi leggeri ed economici, non consente di fabbricare prodotti con la stessa velocità e con la stessa qualità del processo RTM, dal momento che la pressione di iniezione à ̈ relativamente bassa ed il lato del prodotto rivolto verso lo stampo semirigido presenta una finitura grezza. Inoltre, la bassa pressione impiegata nel processo RTM-Light non garantisce la corretta e completa impregnazione delle fibre secche, causando così la fabbricazione di componenti di bassa qualità .
Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire un processo esente da tutti i suddetti inconvenienti, ovvero un processo che sia veloce, economico e facilmente automatizzabile, e che consenta di ottenere prodotti di alta qualità con dispositivi leggeri e compatti. Detto scopo viene conseguito con un processo e alcuni dispositivi le cui caratteristiche principali sono specificate nelle rivendicazioni 1, 14, 51 e 52, mentre altre caratteristiche sono specificate nelle restanti rivendicazioni.
Il processo secondo la presente invenzione prevede stampi ottenuti da strati di fibre di carbonio pre-impregnate con resina (note anche come pre-preg) e la polimerizzazione dei prodotti finali con il riscaldamento di questi stampi in un forno od un’autoclave, invece di impiegare una pressa con stampi riscaldati. Pertanto, à ̈ possibile iniettare la resina a pressioni più basse rispetto al processo RTM ma comunque sufficienti a garantire la corretta e completa impregnazione delle fibre secche che formano il substrato del prodotto finale.
Dette pressioni sono preferibilmente superiori rispetto al processo RTM-Light, soprattutto se gli stampi sono irrigiditi mediante centine od altri elementi di rinforzo.
L’unione tra gli stampi à ̈ ottenuta mediante particolari dispositivi di fissaggio meccanico e guarnizioni, che consentono di mantenere gli stampi ermeticamente chiusi alle pressioni di iniezione della resina.
Gli stampi preferibilmente incorporano particolari boccole che consentono sia un fissaggio meccanico preciso e resistente tra gli stampi sia l’aggiunta facile e veloce di particolari dispositivi, come iniettori, bocchette d’aspirazione e/o estrattori.
Almeno uno stampo comprende particolari canali e/o fessure per distribuire uniformemente la resina prima che questa raggiunga le cavità , in modo da ottenere prodotti privi di difetti quali spazi vuoti, pori, delaminazioni o zone secche. Particolari pozzi disposti in corrispondenza degli iniettori evitano l’usura degli stampi dovuti alla pressione di iniezione della resina.
La produzione degli stampi à ̈ preferibilmente ottenuta in maniera semplice ed accurata mediante master particolari provvisti di dime tridimensionali del prodotto finale e accorgimenti meccanici, come superfici di riferimento per ottenere particolari interfacce negli stampi, pareti laterali per ottenere corrispondenti pareti atte ad irrobustire gli stampi, perni per disporre le boccole con precisione negli stampi, profilati elastomerici removibili e/o gobbe per ottenere canali o pozzi negli stampi. Con un singolo master à ̈ possibile realizzare più stampi uguali tra loro, in modo da aumentare in maniera relativamente semplice ed economica la produttività del processo secondo la presente invenzione.
Inoltre, gli stampi secondo la presente invenzione sono leggeri e poco ingombranti, per cui possono essere maneggiati facilmente prima, durante e dopo l’uso, ad esempio quando vengono preparati, riempiti e disposti nel forno o nell’autoclave.
Poiché gli stampi sono realizzati sostanzialmente nello stesso materiale dei prodotti, essi subiscono le sostanzialmente stesse dilatazioni termiche, così da compensare eventuali effetti negativi dovuti a queste dilatazioni.
Tutti i suddetti vantaggi sono notevolmente incrementati se nel processo viene impiegata un’unità di stampaggio in cui tutti gli stampi, ovvero almeno due stampi complementari, sono realizzati secondo la presente invenzione.
Ulteriori vantaggi e caratteristiche del processo e dei dispositivi secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente descrizione dettagliata e non limitativa di due loro forme realizzative con riferimento agli annessi disegni in cui:
- la figura 1 mostra una vista prospettica di un prodotto che può essere fabbricato col processo secondo la presente invenzione;
- la figura 2 mostra una vista dal basso del primo master secondo la prima forma realizzativa;
- la figura 3 mostra la sezione III-III di figura 2;
- la figura 4 mostra una vista dall’alto del secondo master secondo la prima forma realizzativa;
- la figura 5 mostra la sezione V-V di figura 4;
- la figura 6 mostra la figura 3 parzialmente ingrandita col primo stampo secondo la prima forma realizzativa;
- la figura 7 mostra il dettaglio VII di figura 6;
- la figura 8 mostra una vista dall’alto del primo stampo di figura 6, rimosso dal primo master;
- la figura 9 mostra la sezione IX-IX di figura 8;
- la figura 10 mostra la figura 5 col secondo stampo secondo la prima forma realizzativa;
- la figura 11 mostra una vista dal basso del secondo stampo di figura 10, rimosso dal secondo master;
- la figura 12 mostra la sezione XII-XII di figura 11;
- la figura 13 mostra un’unità di stampaggio con gli stampi di figura 10 e 12 durante l’uso;
- la figura 14 mostra la sezione XIV-XIV di figura 13;
- la figura 15 mostra una sezione longitudinale ingrandita di un iniettore;
- la figura 16 mostra una sezione longitudinale ingrandita di un estrattore;
- la figura 17 mostra una sezione longitudinale ingrandita di una coppia di dispositivi di centraggio; e
- la figura 18 mostra una sezione verticale di una seconda forma realizzativa dell’unità di stampaggio.
Facendo riferimento alla figura 1, si vede che un prodotto 1 in materiale composito presenta in modo noto una forma tridimensionale, ad esempio parallelepipeda, con un’altezza H, una larghezza W ed una profondità P. Nella pratica, il prodotto 1 presenta generalmente forme più complesse, anche curve e/o irregolari, secondo la funzione richiesta, come ad esempio telai, scocche, coperture, accessori ed altre parti strutturali, fluidodinamiche e/o estetiche di veicoli terrestri, navali e aerei.
Facendo riferimento alle figure 2 e 3, si vede che una prima fase operativa del processo comprende la fabbricazione, ad esempio con un sistema CAD/CAM, di una prima dima 2 che presenta sostanzialmente la stessa forma tridimensionale e le stesse dimensioni di almeno una prima porzione del prodotto 1. Nella presente forma realizzativa, la prima dima 2 presenta sostanzialmente la stessa larghezza W e la stessa profondità P, ma un’altezza H1 minore dell’altezza H del prodotto 1. La prima dima 2 à ̈ unita o à ̈ solidale ad almeno una prima superficie di riferimento 3a di un primo master 3, in particolare di forma sostanzialmente parallelepipeda. La prima superficie di riferimento 3a à ̈ sostanzialmente piana, più larga e profonda della prima dima 2, in modo da sporgere intorno ad essa. Una o più prime pareti 4, ad esempio in alluminio, legno o resina epossidica, sostanzialmente perpendicolari alla prima superficie di riferimento 3a sono fissate intorno al primo master 3, in modo da circondare la prima superficie di riferimento 3a. Una o più prime nervature 5 sono disposte sulla prima superficie di riferimento 3a del primo master 3 intorno alla prima dima 2, mentre almeno una seconda nervatura 6 à ̈ disposta sulla prima superficie di riferimento 3a intorno alle prime nervature 5. Le prime nervature 5 sono collegate ad una o più gobbe 7, in particolare aventi una forma semisferica. La sezione trasversale delle prime nervature 5 à ̈ convessa, in particolare sostanzialmente semicircolare o semiellittica, mentre la sezione trasversale della seconda nervatura 6 à ̈ sostanzialmente rettangolare, in particolare quadrata. Una pluralità di primi perni 8 sporgono a loro volta perpendicolarmente dalla prima superficie di riferimento 3a del primo master 3 intorno alla seconda nervatura 6. La prima dima 2, le prime nervature 5, la seconda nervatura 6 e/o le gobbe 7 possono essere realizzate in un solo pezzo di resina epossidica sulla prima superficie di riferimento 3a del primo master 3 con frese a controllo numerico oppure possono comprendere elementi separati uniti tra loro e/o applicati sulla prima superficie di riferimento 3a. In particolare, le prime nervature 5 e/o la seconda nervatura 6 sono preferibilmente costituite da profili elastomerici incollati in maniera removibile sulla prima superficie di riferimento 3a. La prima dima 2 può essere un blocco di resina epossidica sagomata da una fresa a controllo numerico e poi incollata sulla prima superficie di riferimento 3a.
Facendo riferimento alle figure 4 e 5, si vede che una seconda fase operativa del processo comprende la fabbricazione, ad esempio con un sistema CAD/CAM, di una seconda dima 9 che presenta sostanzialmente la stessa forma tridimensionale e le stesse dimensioni di almeno una seconda porzione del prodotto 1. Nella presente forma realizzativa, la seconda dima 9 presenta sostanzialmente la stessa larghezza W e la stessa profondità P, ma un’altezza H2 minore dell’altezza H del prodotto 1, in modo che la somma dell’altezza H1 della prima dima 2 con l’altezza H2 della seconda dima 9 corrisponda sostanzialmente all’altezza H del prodotto 1. La seconda dima 9 à ̈ unita o à ̈ solidale ad almeno una seconda superficie di riferimento 10a di un secondo master 10, in particolare di forma sostanzialmente parallelepipeda. La seconda superficie di riferimento 10a à ̈ sostanzialmente piana, più larga e profonda della seconda dima 9, in modo da sporgere intorno ad essa. Una o più seconde pareti 11, ad esempio in alluminio, legno o resina epossidica, sostanzialmente perpendicolari alla seconda superficie di riferimento 10a sono fissate intorno al secondo master 10, in modo da circondare la seconda superficie di riferimento 10a. Una pluralità di secondi perni 12 sporgono dalla seconda superficie di riferimento 10a del secondo master 10 intorno alla seconda dima 9. La posizione dei primi perni 8 sul primo master 3 à ̈ sostanzialmente uguale alla posizione dei secondi perni 12 sul secondo master 10. Uno o più terzi perni 13 sporgono dalla seconda superficie di riferimento 10a del secondo master 10 in posizioni sostanzialmente uguali alle posizioni delle gobbe 7 sulla prima superficie di riferimento 3a del primo master 3. Almeno un quarto perno 14 ed uno o più quinti perni 15 sporgono dalla seconda dima 9 del secondo master 10.
Facendo riferimento alle figure 6 e 7, si vede che una terza fase operativa del processo comprende una spruzzatura del primo master 3 con uno liquido sigillante che chiude le porosità presenti per ottenere superficie liscia e regolare, nonché la pulizia di queste superfici con una sostanza distaccante, dopodiché un primo stampo 16 viene realizzato applicando sulla prima dima 2, sulla prima superficie di riferimento 3a e sulle prime pareti 4 del primo master 3 una pluralità di strati di fibre, in particolare fibre di carbonio, pre-impregnate con una resina, noti anche col nome di pre-preg. Nelle figure, per semplicità , la prima dima 2 e la prima superficie di riferimento 3a sono mostrate rivolte verso il basso, ma à ̈ preferibile che durante questa fase operativa esse siano rivolte verso l’alto per facilitare la disposizione di questi strati. In particolare, il primo stampo 16 comprende un primo strato interno 17 e/o un secondo strato interno 18. Preferibilmente, il primo strato interno 17 comprende pre-preg con fibre del tipo 1K (1000 fili per fibra), PW (Plain Weave), grammatura 100 g/m2 e spessore 0,1 mm, mentre il secondo strato interno 18 comprende pre-preg con fibre del tipo 3K (3000 fili per fibra), TW (Twill Weave) 2x2, grammatura 200 g/m2 e spessore 0,25 mm. Le fibre degli strati interni 17 e/o 18 sono sostanzialmente parallele o perpendicolari tra loro. Strisce di pre-preg (non mostrate nelle figure) possono essere disposte tra lo strato interno 17 o 18 e gli spigoli della prima dima 2 e/o gli angoli compresi tra la prima superficie di riferimento 3a e la prima dima 2, le prime pareti 4 e/o la seconda nervatura 6, in modo da rendere questi spigoli e/o angoli più vivi.
Il primo master 3 comprende almeno una porzione sporgente 3b tra le prime nervature 5 e la prima dima 2 che sporge dalla prima superficie di riferimento 3a con un differenza d’altezza H3 compresa tra 0,1 mm e 1 mm.
Uno o più primi strati intermedi 19, in particolare da quattro a sei strati intermedi, sono quindi applicati sugli strati interni 17 e/o 18, dopodiché prime boccole 20 sono inserite sui primi perni 8 ed uno o più secondi strati intermedi 21, in particolare da quattro a sei strati intermedi, sono applicati sopra i primi strati intermedi 19 e le prime boccole 20, in modo da incorporare queste ultime nel primo stampo 16. Gli strati intermedi 19 e/o 21 comprendono pre-preg con fibre del tipo 12K (12000 fili per fibra), TW (Twill Weave) 2x2, grammatura 700 g/m2 e spessore 0,4 mm. Le fibre degli strati intermedi 19 e/o 21 sono sostanzialmente parallele, diagonali (± 45°) o perpendicolari tra loro. Almeno uno strato esterno 22 à ̈ applicato sopra i secondi strati intermedi 21 e comprende pre-preg con fibre del tipo 3K (3000 fili per fibra), TW (Twill Weave) 2x2, grammatura 200 g/m2 e spessore 0,25 mm. La grammatura e/o lo spessore degli strati intermedi 19, 21 sono quindi maggiori della grammatura e/o dello spessore degli strati interni 17, 18 e/o dello strato esterno 22. Le prime boccole 20 sono provviste di un filetto interno 23.
Durante l’applicazione, in particolare dopo aver applicato due, tre o quattro strati uno sull’altro, gli strati interni 17, 18, gli strati intermedi 19, 21 e/o lo strato esterno 22 sono compressi sul primo master 3 mediante fasi di compattazione in cui lo strato più esterno viene coperto da un foglio anti-adesivo e da uno strato di materiale ventilante, dopodiché il primo master 3 viene inserito in un sacco a vuoto che schiaccia gli strati già disposti sul primo master 3 per effetto della pressione esterna che agisce sul sacco a vuoto. Queste fasi di compattazione possono comprendere l’inserimento del primo master 3 col sacco a vuoto in un’autoclave ad una pressione compresa tra 1 e 10 bar per creare una pressione aggiuntiva sul sacco a vuoto.
Gli strati interni 17 e/o 18, gli strati intermedi 19, 21 e/o lo strato esterno 22 coprono anche le prime nervature 5, la seconda nervatura 6 e le gobbe 7, mentre sono provvisti di fori per essere attraversati dai primi perni 8 del primo master 3. Il primo stampo 16 comprende complessivamente almeno dieci strati, ovvero almeno uno strato interno 18, otto strati intermedi 19, 21 ed uno strato esterno 22. Prima dell’applicazione, ciascuno strato 17, 18, 19, 21 e/o 22 viene sagomato con un dispositivo a controllo numerico sulla base di dati ottenuti in funzione della forma e delle dimensioni del primo master 3.
Il primo stampo 16 viene quindi completato con una fase di polimerizzazione sotto pressione, in cui il primo master 3 provvisto delle prime boccole 20 e degli strati 17, 18, 19, 21 e 22 viene inserito in un sacco a vuoto, sempre con un foglio anti-adesivo e con uno strato di materiale ventilante, a sua volta disposto in un’autoclave, in modo che gli strati vengono uniti tra loro con una pressione e con una temperatura che sono atte a polimerizzare la resina che li impregna.
Facendo riferimento alle figure 8 e 9, si vede che il primo stampo 16, una volta tolto dall’autoclave, raffreddato e separato dal primo master 3, comprende almeno una prima cavità 24 sostanzialmente complementare alla prima dima 2 del primo master 3, con sostanzialmente la stessa larghezza W, la stessa profondità P e la stessa altezza H1. Il primo stampo 16 comprende almeno una prima interfaccia 16a realizzata in un solo pezzo con la prima cavità 24. La prima interfaccia 16a sporge interamente, o almeno parzialmente, intorno alla prima cavità 24 ed à ̈ sostanzialmente complementare alla prima superficie di riferimento 3a del primo master 3. Il primo stampo 16 comprende anche una o più prime pareti laterali 16b sostanzialmente corrispondenti alle prime pareti 4 del primo master 3 e sostanzialmente perpendicolari alla prima interfaccia 16a. Uno o più primi canali 25 sostanzialmente complementari alle prime nervature 5 del primo master 3 sono disposti sulla prima interfaccia 16a del primo stampo 16 intorno alla prima cavità 24, mentre almeno un secondo canale 26 sostanzialmente complementare alla seconda nervatura 6 del primo master 3 à ̈ disposto sulla prima interfaccia 16a intorno ai primi canali 25. I primi canali 25 sono collegati ad uno o più pozzi 27 sostanzialmente complementari alle gobbe 7 del primo master 3. Una pluralità di primi fori 28 sono disposti sulla prima interfaccia 16a del primo stampo 16 in corrispondenza delle prime boccole 20, ovvero dei primi perni 8 del primo master 3.
Quando il primo stampo 16 viene separato dal primo master 3, i primi canali 25 e/o il secondo canale 26 possono ancora includere i profili impiegati per le prime nervature 5 e/o la seconda nervatura 6, in quanto i profili possono staccarsi dal primo master 3. In questo caso, i profili vengono estratti dai primi canali 25 e/o dal secondo canale 26 per essere riutilizzati o sostituiti. Almeno una guarnizione tubolare 29, resistente a temperature comprese tra -60° e 220° C ed avente una rigidezza fino a 60 Shore, Ã ̈ disposta nel secondo canale 26.
La prima interfaccia 16a à ̈ provvista di almeno una fessura 30 sostanzialmente complementare alla porzione sporgente 3b del primo master 3 tra i primi canali 25 e la prima cavità 24. Lo spessore H3 della fessura 30 à ̈ compreso tra 0,1 e 1 mm, mentre la lunghezza L1 della fessura 30 à ̈ compresa tra 5 e 300 mm.
Una o più prime centine 31, preferibilmente in materiale composito, in particolare con fibre di carbonio, sono fissate al primo stampo 16 dal lato opposto alla prima interfaccia 16a, in particolare mediante adesivo e/o ulteriori strati 32 di pre-preg applicati a cavallo delle prime centine 31 e del primo stampo 16, nonché pressati e polimerizzati con sacco a vuoto in un’autoclave. Le prime centine 31 formano un reticolo e sono preferibilmente unite alle prime pareti laterali 16b del primo stampo 16. Primi dispositivi di centraggio 33 e/o primi dispositivi di fissaggio meccanico 34, ad esempio chiusure a leva, sono fissati all’esterno delle prime pareti laterali 16b del primo stampo 16.
Facendo riferimento alla figura 10, si vede che una quarta fase operativa del processo comprende una sigillatura a spruzzo ed una pulitura con distaccante del secondo master 10, nonché la realizzazione di un secondo stampo 36 applicando sulla seconda dima 9, sulla seconda superficie di riferimento 10a e sulle seconde pareti 11 del secondo master 10 una pluralità di strati di pre-preg, alcuni dei quali sono provvisti di fori per i perni 12, 13 e 14. In particolare, il secondo stampo 36 comprende un primo strato interno e/o un secondo strato interno, una pluralità di strati intermedi, in particolare almeno otto strati intermedi, nonché almeno uno strato esterno dello stesso tipo degli strati del primo stampo 16. Strisce di pre-preg possono essere disposte tra uno strato interno e gli spigoli della seconda dima 9 e/o gli angoli compresi tra la seconda superficie di riferimento 10a e la seconda dima 9 e/o le seconde pareti 11, in modo da rendere questi spigoli e/o angoli più vivi.
Seconde boccole 37, una o più terze boccole 38 ed almeno una quarta boccola 39 sono inserite rispettivamente sui secondi perni 12, sui terzi perni 13 e sul quarto perno 14 del secondo master 10, tra due strati intermedi, in particolare tra un gruppo di quattro primi strati intermedi ed un gruppo di otto secondi strati intermedi. Una o più quinte boccole 40 sono invece disposte sui quinti perni 15 del secondo master 10 prima di applicare gli strati su quest’ultimo, per cui le quinte boccole 40 sono a filo con la seconda dima 9. Le terze boccole 38 sono sostanzialmente uguali alla quarta boccola 39. Le terze boccole 38, la quarta boccola 39 e le quinte boccole 40 sono filettate all’interno. La distanza tra due prime boccole 20 o seconde boccole 37 adiacenti à ̈ compresa tra 35 e 100 mm, preferibilmente 70 mm.
Gli strati del secondo stampo 36 sono compressi sul secondo master 10 mediante fasi di compattazione del tipo sopra descritto per il primo stampo 16, con o senza autoclave.
Il secondo stampo 36 viene quindi completato con una fase di polimerizzazione sotto pressione, in cui il secondo master 10 provvisto degli strati di pre-preg e delle boccole 37, 38, 39, 40 viene inserito in un sacco a vuoto, sempre con un foglio antiadesivo e con uno strato di materiale ventilante, a sua volta disposto in un’autoclave, in modo che gli strati vengono uniti tra loro sotto pressione e con una temperatura che sono atte a polimerizzare la resina che li impregna.
Facendo riferimento alle figure 11 e 12, si vede che il secondo stampo 36, una volta tolto dall’autoclave, raffreddato e separato dal secondo master 10, comprende almeno una seconda cavità 41 sostanzialmente complementare alla seconda dima 9 del secondo master 10, con sostanzialmente la stessa larghezza W, la stessa profondità P e la stessa altezza H2. Il secondo stampo 36 comprende almeno una seconda interfaccia 36a realizzata in un solo pezzo con la seconda cavità 41. La seconda interfaccia 36a sporge interamente, o almeno parzialmente, intorno alla seconda cavità 41 ed à ̈ sostanzialmente complementare alla seconda superficie di riferimento 10a del secondo master 10. Il secondo stampo 36 comprende anche una o più seconde pareti laterali 36b sostanzialmente complementari alle seconde pareti laterali 11 del secondo master 10 e sostanzialmente perpendicolari alla seconda interfaccia 36a. Secondi fori 42 e terzi fori 43 sono disposti sulla seconda interfaccia 36a del secondo stampo 36 in corrispondenza rispettivamente delle seconde boccole 37 e delle terze boccole 38, ovvero dei secondi perni 12 e dei terzi perni 13 del secondo master 10. Quarti fori 44 e le quinte boccole 40 sboccano invece sulla seconda cavità 41, con le quinte boccole 40 a filo con la seconda cavità 41.
Le distanze tra le interfacce 16a, 36a e le boccole 20, 37 o 38, oppure tra la cavità 41 e la quarta boccola 39, sono maggiori di 0,2 mm.
Una o più seconde centine 45, preferibilmente in materiale composito, in particolare con fibre di carbonio, sono fissate al secondo stampo 36 dal lato opposto alla seconda interfaccia 36a, in particolare mediante adesivo e/o ulteriori strati 46 di pre-preg applicati a cavallo delle seconde centine 45 e del secondo stampo 36, nonché pressati e polimerizzati con sacco a vuoto in un’autoclave. Le seconde centine 45 formano un reticolo e sono preferibilmente unite alle seconde pareti laterali 36b del secondo stampo 36. Secondi dispositivi di centraggio 47 e/o secondi dispositivi di fissaggio meccanico 48, ad esempio ganci per chiusure a leva, sono fissati all’esterno delle seconde pareti laterali 36b del secondo stampo 36 in posizioni sostanzialmente corrispondenti rispettivamente ai primi dispositivi di centraggio 33 ed ai primi dispostivi di fissaggio meccanico 34 del primo stampo 16.
Le centine 31, 45 sono preferibilmente applicate agli stampi 16, 36 prima di rimuovere questi ultimi dai rispettivi master 3, 10.
Facendo riferimento alle figure 13 e 14, si vede che una quinta fase operativa del processo comprende la preformatura e la disposizione di uno o più substrati 49 nella prima cavità 24 del primo stampo 16 e/o nella seconda cavità 41 del secondo stampo 36. Le terze boccole 38 del secondo stampo 36 sono provviste di iniettori 50 collegati a condotti d’ingresso 51. La distanza tra due iniettori 50 adiacenti à ̈ compresa tra 400 e 1500 mm. La quarta boccola 39 del secondo stampo 36 à ̈ provvista di una bocchetta d’aspirazione 52 collegata ad un condotto d’uscita 53. Le quinte boccole 40 del secondo stampo 36 sono provviste di estrattori 54. I substrati 49 comprendono strati di fibre, in particolare fibre di carbonio, secche, ovvero accoppiate con una quantità di resina da 0 a 10 %, preferibilmente al 5%, in peso.
Il primo stampo 16 viene quindi allineato col secondo stampo 36 mediante i dispositivi di centraggio 33, 47, dopodiché il primo stampo 16 viene serrato al secondo stampo 36 mediante viti 55 inserite nelle seconde boccole 37 ed avvitate nelle prime boccole 20, nonché accoppiando tra loro i dispositivi di fissaggio meccanico 34, 48, in modo da realizzare un’unità di stampaggio comprendente il primo stampo 16 ed il secondo stampo 36. Altre forme realizzative possono comprendere solo le boccole 20, 37, solo i dispositivi di fissaggio meccanico 34, 48 e/o altri dispositivi di fissaggio meccanico. Gli stampi 16, 36 sono quindi premuti uno contro l’altro, in modo che le interfacce 16a e 36a vengono in contatto, schiacciando la guarnizione 29, così da chiudere ermeticamente gli stampi 16, 36.
In una sesta fase operativa del processo, gli stampi 16, 36 vengono riscaldati ad una temperatura compresa tra 25° C e 70° C, preferibilmente a 60° C, dopodiché resina riscaldata ad una temperatura compresa tra 40° C e 70° C, in particolare a 60° C, viene iniettata ad una pressione compresa tra 0,5 bar e 3,5 bar, in particolare compresa tra 1,5 e 2,5 bar, nelle cavità 24, 41 tra il primo stampo 16 ed il secondo stampo 36 attraverso i condotti d’ingresso 51, gli iniettori 50, i pozzi 27, i primi canali 25 e la fessura 30. Le frecce di figura 14 mostrano il percorso seguito dalla resina fino a raggiungere ed impregnare completamente i substrati 49. Contemporaneamente, aria viene aspirata dalla bocchetta d’aspirazione 52 e dal condotto d’uscita 53, fino a quando la resina non raggiunge la bocchetta d’aspirazione 52, dopodiché l’iniezione di resina viene interrotta. Quando la resina viene iniettata nelle cavità 24, 41, le zone d’ingresso della resina, ovvero la fessura 30, sono ad un livello inferiore rispetto alle zone di evacuazione, ovvero alla bocchetta d’aspirazione 52. Durante tale evacuazione, la pressione nelle cavità 24, 41 negli spazi non raggiunti dalla resina à ̈ inferiore a 0,5 bar, in particolare compresa tra 0,001 e 0,02 bar.
Completata l’iniezione della resina, gli stampi 16, 36 vengono disposti in un forno od un’autoclave e riscaldati lentamente (da 2° a 4° C al minuto) dalla temperatura di iniezione fino ad una temperatura di polimerizzazione compresa tra 90° e 100° C, che viene mantenuta per circa un’ora, dopodiché viene aumentata ad una temperatura di post-polimerizzazione compresa tra 120° e 160° C, che viene mantenuta per circa due ore. Alla fine del ciclo di polimerizzazione, gli stampi 16, 36 vengono raffreddati fino ad una temperatura compresa tra 40° e 70° C ed aperti, in modo che il prodotto finito 1, comprendente i substrati 49 incorporati nella resina polimerizzata, può essere estratto, in particolare mediante gli estrattori 54, per essere rifilato e pulito. Il ciclo di polimerizzazione e post-polimerizzazione dipende dalle caratteristiche chimiche della resina impiegata per impregnare il tessuto secco.
Facendo riferimento alla figura 15, si vede che durante la preparazione del secondo stampo 36, un iniettore 50 filettato all’esterno à ̈ avvitato in una terza boccola 38 già incorporata nel secondo stampo 36, così da premere una prima guarnizione anulare 56 disposta tra l’iniettore 50 e la terza boccola 38. Il condotto d’ingresso 51 viene quindi inserito nell’iniettore 50 e bloccato mediante una ghiera 57 che viene avvitata sull’iniettore 50, così da premere una seconda guarnizione anulare 58 contro il condotto d’ingresso 51. La bocchetta d’aspirazione 52 ed il condotto d’uscita 53 presentano la stessa struttura e lo stesso funzionamento dell’iniettore 50 e del condotto d’ingresso 51.
Facendo riferimento alla figura 16, si vede che durante la preparazione del secondo stampo 36, un pistone 59 provvisto di un gambo 60 viene inserito in una quinta boccola 40 già disposta nel secondo stampo 36, così da premere una terza guarnizione anulare 61 alloggiata in una sede cilindrica ricavata nella quinta boccola 40 per la testa del pistone 59. Il gambo 60 del pistone à ̈ collegato ad una ghiera filettata 62 che à ̈ avvitata nella quinta boccola 40, in modo che ruotando la ghiera filettata 62 la testa del pistone 59 si muove assialmente per sporgere dal secondo stampo 36.
Facendo riferimento alla figura 17, si vede che il primo dispositivo di centraggio 33 comprende una prima testa 63 conica o troncoconica che può essere regolata assialmente mediante una vite 64. Una molla 65 consente una compressione assiale della prima testa 63 rispetto alla vite 64 per assorbire possibili urti durante l’accoppiamento degli stampi 16, 36. Il secondo dispositivo di centraggio 47 comprende una seconda testa 66 con una sede conica o troncoconica sostanzialmente complementare alla prima testa 63. Anche la seconda testa 66 può essere regolata assialmente mediante una vite 67. La prima testa 63 e la seconda testa 66 possono inoltre essere spostate trasversalmente muovendo una prima piastra 68 del primo dispositivo di centraggio 33 e/o una seconda piastra 69 del secondo dispositivo di centraggio 47, in modo da ottenere, insieme con la regolazione assiale, un perfetto accoppiamento degli stampi 16, 36 nelle tre dimensioni. Le piastre 68, 69 sono provviste di un foro per contenere rispettivamente le viti 64, 67 in maniera assialmente scorrevole.
In forme realizzative alternative, la porzione funzionale del primo stampo o del secondo stampo, ovvero la porzione dello stampo che comprende le superfici rivolte verso i substrati 49 e che à ̈ a contatto con almeno una porzione del prodotto finito 1 al termine del processo, può non comprendere una cavità , ma essere piatta oppure persino comprendere una protuberanza complementare alla cavità dell’altro stampo. In questi casi, le dime dei master possono essere piatte e/o presentare cavità . In altre forme realizzative, il secondo stampo può essere provvisto dei primi canali e/o del secondo canale, mentre il primo stampo può essere provvisto degli estrattori, degli iniettori e/o della bocchetta d’aspirazione. Unità di stampaggio secondo ulteriori forme realizzative possono comprendere più di due stampi complementari uniti tra loro mediante dispositivi di fissaggio meccanico.
Facendo riferimento alla figura 18, si vede che ad esempio in una seconda forma realizzativa della presente invenzione il primo stampo 16 à ̈ provvisto degli estrattori 54 ed à ̈ sostanzialmente piatto, ovvero privo di una cavità per i substrati 49, mentre il secondo stampo 36 à ̈ provvisto della cavità per i substrati 49 e del canale 26 per la guarnizione 29.
Ulteriori varianti e/o aggiunte possono essere apportate dagli esperti del ramo alle forme realizzative dell'invenzione qui descritte ed illustrate restando nell’ambito delle seguenti rivendicazioni.
Claims (58)
- RIVENDICAZIONI 1. Processo per fabbricare prodotti (1) in materiali compositi, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi operative: - disporre uno o più substrati (49) in almeno una cavità (24, 41) di almeno uno stampo (16, 36) in materiale composito; - chiudere ermeticamente lo stampo (16, 36) mediante dispositivi di fissaggio meccanico (20, 34, 37, 48, 55); - evacuare la cavità (24, 41) ed iniettare resina nella cavità (24, 41), in modo che i substrati (49) sono impregnati dalla resina iniettata; - riscaldare lo stampo (16, 36) per polimerizzare la resina che impregna i substrati (49) nella cavità (24, 41).
- 2. Processo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che lo stampo (16, 36) Ã ̈ riscaldato, in particolare ad una temperatura compresa tra 25° C e 70° C, prima di iniettare la resina.
- 3. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la resina viene iniettata nella cavità (24, 41) ad una pressione compresa tra 0,5 bar e 3,5 bar, in particolare compresa tra 1,5 e 2,5 bar.
- 4. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che durante l’evacuazione la pressione negli spazi della cavità (24, 41) che non sono raggiunti dalla resina à ̈ inferiore a 0,5 bar, in particolare compresa tra 0,001 e 0,02 bar.
- 5. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dopo la polimerizzazione della resina lo stampo (16, 36) viene raffreddato ed aperto ad una temperatura compresa tra 40° e 70° C.
- 6. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo stampo (16, 36) à ̈ formato da una pluralità di strati (17, 18, 19, 21, 22) di fibre, in particolare fibre di carbonio, pre-impregnate con una resina.
- 7. Processo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti strati (17, 18, 19, 21, 22) sono disposti e polimerizzati sopra almeno un master (3, 10) comprendente una dima (2, 9) di almeno una porzione di un prodotto (1) da fabbricare.
- 8. Processo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che strisce di fibre, in particolare fibre di carbonio, pre-impregnate con una resina, sono disposte tra lo strato interno (17, 18) e gli spigoli della dima (2, 9) e/o gli angoli compresi tra una superficie di riferimento (3a, 10a) del master (3, 10) ed altre parti (4, 6, 11) del master (3, 10).
- 9. Processo secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che una o più boccole (20, 37, 38, 39, 40) sono disposte sul master (3, 10) prima di disporre gli strati (17, 18, 19, 21, 22) su di esso oppure sono disposte tra due strati (19, 21) durante la loro disposizione sul master (3, 10).
- 10. Processo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che gli strati (17, 18, 19) disposti tra le boccole (20, 37, 38, 39) ed il master (3, 10) sono provvisti di fori (28, 42, 43, 44) in corrispondenza delle boccole (20, 37, 38, 39).
- 11. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i substrati (49) comprendono strati di fibre, in particolare fibre di carbonio, accoppiate con una quantità di resina da 0 a 10 % in peso.
- 12. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che quando la resina viene iniettata nella cavità (24, 41), le zone d’ingresso (30) della resina sono ad un livello inferiore rispetto alle zone di evacuazione (52).
- 13. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la cavità (24, 41) à ̈ compresa tra almeno due stampi (16, 36) complementari in materiale composito.
- 14. Stampo (16, 36) per fabbricare prodotti (1) in materiali compositi, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una porzione funzionale (24, 41) in materiale composito unita ad almeno un’interfaccia (16a, 36a) in materiale composito che sporge almeno parzialmente intorno alla porzione funzionale (24, 41), detto stampo (16, 36) essendo provvisto di uno o più dispositivi di fissaggio meccanico (20, 34, 37, 48, 55) per l’accoppiamento con almeno un altro stampo (16, 36).
- 15. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la porzione funzionale (24, 41) include almeno una cavità (24, 41).
- 16. Stampo secondo la rivendicazione 14 o 15, caratterizzato dal fatto che la porzione funzionale (24, 41) à ̈ realizzata in un solo pezzo di materiale composito con l’interfaccia (16a, 36a).
- 17. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 14 a 16, caratterizzato dal fatto che lo stampo (16, 36) comprende una o più pareti laterali (16b, 36b) realizzate in un solo pezzo di materiale composito con l’interfaccia (16a, 36a).
- 18. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che le pareti laterali (16b, 36b) sono sostanzialmente perpendicolari all’interfaccia (16a, 36a).
- 19. Stampo secondo la rivendicazione 17 o 18, caratterizzato dal fatto che dispositivi di centraggio (33, 47) e/o dispositivi di fissaggio meccanico (34, 48) sono fissati all’esterno delle pareti laterali (16b, 36b).
- 20. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che i dispositivi di centraggio (33, 47) comprendono una testa (63) conica o troncoconica oppure una testa (66) con una sede conica o troncoconica, le quali teste (63, 66) possono essere regolate assialmente mediante una vite (64, 67) e possono essere spostate trasversalmente muovendo una piastra (68, 69) provvista di un foro per contenere la vite (64, 67) in maniera assialmente scorrevole.
- 21. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che una molla (65) consente una compressione assiale di una testa (63) rispetto alla vite (64).
- 22. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 14 a 21, caratterizzato dal fatto che una o più centine (31, 45) sono fissate allo stampo (16, 36) dal lato opposto all’interfaccia (16a, 36a).
- 23. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che le centine (31, 45) sono fissate allo stampo (16, 36) mediante adesivo e/o strati (32, 46) di fibre pre-impegnate applicati a cavallo delle centine (31, 45) e dello stampo (16, 36).
- 24. Stampo secondo la rivendicazione 22 o 23, caratterizzato dal fatto che le centine (31, 45) formano un reticolo e sono unite alle pareti laterali (16b, 36b) dello stampo (16, 36).
- 25. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 14 a 24, caratterizzato dal fatto che uno o più canali (25, 26) sono ricavati sull’interfaccia (16a, 36a) dello stampo (16,
- 26. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che i canali (25, 26) sono disposti intorno ad una porzione funzionale (24) dello stampo (16, 36).
- 27. Stampo secondo la rivendicazione 25 o 26, caratterizzato dal fatto che i canali (25) sono collegati ad uno o più pozzi (27).
- 28. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 25 a 27, caratterizzato dal fatto che l’interfaccia (16a) à ̈ provvista di almeno una fessura (30) tra i canali (25) e la porzione funzionale (24).
- 29. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che lo spessore (H3) della fessura (30) Ã ̈ compreso tra 0,1 e 1 mm.
- 30. Stampo secondo la rivendicazione 28 o 29, caratterizzato dal fatto che la lunghezza (L1) della fessura (30) Ã ̈ compresa tra 5 e 300 mm.
- 31. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 14 a 30, caratterizzato dal fatto che almeno un secondo canale (26) à ̈ ricavato sull’interfaccia (16a, 36a) dello stampo (16, 36).
- 32. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il secondo canale (26) Ã ̈ disposto intorno a primi canali (25).
- 33. Stampo secondo la rivendicazione 31 o 32, caratterizzato dal fatto che una guarnizione tubolare (29) Ã ̈ disposta nel secondo canale (26).
- 34. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la guarnizione tubolare (29) resiste a temperature comprese tra -60° e 220° C ed ha una rigidezza fino a 60 Shore.
- 35. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 14 a 34, caratterizzato dal fatto che lo stampo (16, 36) à ̈ formato da una pluralità di strati (17, 18, 19, 21, 22) di fibre, in particolare fibre di carbonio, pre-impregnate con una resina.
- 36. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti strati (17, 18, 19, 21, 22) comprendono un primo strato interno (17) e/o un secondo strato interno (18), uno o più strati intermedi (19, 21), in particolare almeno otto strati intermedi (19, 21), ed almeno uno strato esterno (22).
- 37. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la grammatura e/o lo spessore degli strati intermedi (19, 21) sono maggiori della grammatura e/o dello spessore degli strati interni (17, 18) e/o dello strato esterno (22).
- 38. Stampo secondo la rivendicazione 36 o 37, caratterizzato dal fatto che il primo strato interno (17) comprende fibre del tipo 1K (1000 fili per fibra), PW (Plain Weave), grammatura 100 g/m2 e spessore 0,1 mm, il secondo strato interno (18) e/o lo strato esterno (22) comprendono fibre del tipo 3K (3000 fili per fibra), TW (Twill Weave) 2x2, grammatura 200 g/m2 e spessore 0,25 mm, e/o gli strati intermedi (19, 21) comprendono fibre del tipo 12K (12000 fili per fibra), TW (Twill Weave) 2x2, grammatura 700 g/m2 e spessore 0,4 mm.
- 39. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 14 a 38, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi di fissaggio meccanico (20, 34, 37, 48, 55) comprendono una pluralità di boccole (20, 37) incorporate nello stampo (16, 36).
- 40. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la distanza tra due boccole (20, 37) adiacenti di uno stampo (16, 36) Ã ̈ compresa tra 35 e 100 mm.
- 41. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 14 a 40, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi di fissaggio meccanico (20, 34, 37, 48, 55) comprendono chiusure a leva (34) e/o ganci (48).
- 42. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 15 a 41, caratterizzato dal fatto che lo stampo (16, 36) comprende uno o più iniettori (50) per iniettare la resina nella cavità (24, 41).
- 43. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la distanza tra due iniettori (50) adiacenti à ̈ compresa tra 400 e 1500 mm.
- 44. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 15 a 43, caratterizzato dal fatto che lo stampo (16, 36) comprende almeno una bocchetta d’aspirazione (52) per evacuare la cavità (24, 41).
- 45. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 42 a 44, caratterizzato dal fatto che gli iniettori (50) e/o la bocchetta d’aspirazione (52) sono avvitati in boccole (38, 39) incorporate nello stampo (36).
- 46. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che un condotto d’ingresso (51) od un condotto d’uscita (53) à ̈ inserito rispettivamente nell’iniettore (50) o nella bocchetta d’aspirazione (52) e bloccato mediante una ghiera (57) avvitata sull’iniettore (50) o sulla bocchetta d’aspirazione (52), così da premere una guarnizione anulare (58) contro il condotto d’ingresso (51) od il condotto d’uscita (53).
- 47. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 39 a 46, caratterizzato dal fatto che le distanze tra l’interfaccia (16a, 36a) dello stampo (16, 36) e le boccole (20, 37, 38), oppure tra una porzione funzionale (41) dello stampo (36) ed una boccola (39), sono maggiori di 0,2 mm.
- 48. Stampo secondo una delle rivendicazioni da 14 a 47, caratterizzato dal fatto che lo stampo (16, 36) comprende uno o più estrattori (54) per estrarre un prodotto finito (1) dalla porzione funzionale (24, 41).
- 49. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che gli estrattori (54) sono avvitati in boccole (40) incorporate nello stampo (16, 36).
- 50. Stampo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che gli estrattori (54) comprendono un pistone (59, 60) collegato ad una ghiera filettata (62) che à ̈ avvitata nella boccola (40), in modo che ruotando la ghiera filettata (62) la testa del pistone (59) si muove assialmente per sporgere dallo stampo (16, 36).
- 51. Unità di stampaggio, caratterizzata di comprendere almeno due stampi complementari (16, 36) secondo una delle rivendicazioni da 14 a 50.
- 52. Master (3, 10) per fabbricare almeno uno stampo (16, 36) in materiale composito, caratterizzato dal fatto che il master (3, 10) comprende una dima (2, 9) unita o solidale ad almeno una superficie di riferimento (3a, 10a) che sporge almeno parzialmente intorno alla dima (2, 9), in cui una o più pareti (4, 11) sono disposte intorno alla superficie di riferimento (3a, 10a).
- 53. Master secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che una o più prime nervature (5) e/o una seconda nervatura (6) sono disposte sulla superficie di riferimento (3a) intorno alla dima (2).
- 54. Master secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che le prime nervature (5) e/o la seconda nervatura (6) sono costituite da profili elastomerici incollati sulla superficie di riferimento (3a).
- 55. Master secondo la rivendicazione 53 o 54, caratterizzato dal fatto che le prime nervature (5) sono collegate ad una o più gobbe (7).
- 56. Master secondo una delle rivendicazioni da 53 a 55, caratterizzato dal fatto che almeno una porzione sporgente (3b) sporge dalla prima superficie di riferimento (3a) tra le prime nervature (5) e la dima (2).
- 57. Master secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la porzione sporgente (3b) sporge dalla prima superficie di riferimento (3a) con un differenza d’altezza (H3) compresa tra 0,1 mm e 1 mm.
- 58. Master secondo una delle rivendicazioni da 52 a 57, caratterizzato dal fatto che uno o più perni (8, 12, 13, 14, 15) sporgono dalla superficie di riferimento (3a, 10a) o dalla dima (9).
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