ITTO940025A1

ITTO940025A1 - Procedimento per la formatura di un elemento di materiale composito ed elemento di materiale composito utilizzabile in tale procedimento.

Info

Publication number: ITTO940025A1
Application number: IT94TO000025A
Authority: IT
Inventors: Re Mario Da
Original assignee: Fiat Auto Spa
Priority date: 1994-01-19
Filing date: 1994-01-19
Publication date: 1995-07-19
Also published as: DE69426759T2; EP0664210A1; ITTO940025A0; EP0664210B1; DE69426759D1; IT1267986B1

Abstract

Un procedimento per la formatura di un elemento di materiale composito comprende le fasi di predisporre una coppia di elementi di lamiera (5, 7) ed interporre fra essi un adesivo polimerico (11) non polimerizzato, congiungere fra loro gli elementi di lamiera (5, 7) con interposto l'adesivo (11) in modo da formare un pannello di materiale composito (3), e sottoporre il pannello (3) ad un'operazione di formatura a freddo al fine di formare l'elemento di materiale composto (3). L'elemento di materiale composito ottenuto (3) è successivamente sottoposto ad un processo di polimerizzazione dell'adesivo polimerico (11).(Figura 2).

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento per la formatura di un elemento di materiale composito ed elemento di materiale composito utilizzabile in tale procedimento"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un procedimento per la formatura di un elemento di materiale composito, utilizzabile, ad esempio, come elemento strutturale di un veicolo.

Sono noti elementi laminari di materiale composito, generalmente denominati "lamiere sandwich", i quali sono realizzati con una coppia di lamiere sottili, ad esempio entrambe d'acciaio o d'alluminio oppure una d'acciaio e l'altra d'alluminio, fra le quali è interposto uno strato di adesivo polimerico.

Tali elementi di materiale composito presentano elevate caratteristiche di resistenza meccanica e buone qualità isolanti nei confronti della temperatura, di rumori e vibrazioni, unitamente ad un peso relativamente contenuto,per cui sono spesso utilizzati come elementi strutturali nella costruzione di veicoli, particolarmente in prossimità di zone soggette a temperature o vibrazioni rilevanti.

Le lamiere sandwich sono generalmente prodotte e commercializzate dagli stessi produttori di laminati d'acciaio o d'alluminio, i quali le producono e vendono direttamente sotto forma di grandi rotoli o "coils", costituiti a partire da una coppia di lamiere metalliche connesse per mezzo di uno strato intermedio di adesivo polimerico che è già polimerizzato nel prodotto posto in commercio.

Gli elementi di materiale composito ottenibili dalla suddivisione dei coils presentano tuttavia inconvenienti dovuti al fatto che le loro dimensioni massime sono limitate dalle dimensioni standard dei coils, per cui non è sempre possibile ottenere a partire dai coils singoli elementi dimensionati in modo ottimale per realizzare elementi di strutture, ad esempio, di veicoli. Inoltre, tali elementi di materiale composito si prestano poco ad essere sottoposti a lavorazioni meccaniche necessarie per conformarli in vista del loro impiego.

In particolare, i pannelli costituiti dalle lamiere sandwich di tipo noto sono poco adatti ad essere stampati in quanto durante l'operazione di stampaggio si originano scorrimenti relativi fra le lamiere esterne del pannello che provocano la separazione dello strato intermedio di adesivo polimerizzato, determinando quindi un peggioramento delle caratteristiche meccaniche e di isolamento del pannello. Per tale motivo tali pannelli noti sono generalmente sottoposti a sole lavorazioni meccaniche di piegatura. Inoltre, essi risultano difficili da saldare ed eventuali operazioni di saldatura possono danneggiare lo strato intermedio di adesivo polimerico.

Lo scopo principale della presente invenzione è quello di proporre un procedimento per la formatura di un elemento di materiale composito che permetta di ovviare gli inconvenienti sopra menzionati.

Tale scopo viene raggiunto secondo l'invenzione grazie al fatto che il procedimento comprende le seguenti fasi:

predisporre una coppia di elementi di lamiera, interporre tra gli elementi di lamiera un adesivo polimerico non polimerizzato,

congiungere fra loro gli elementi di lamiera con interposto l'adesivo polimerico in modo da formare un pannello di materiale composito, sottoporre il pannello ad un'operazione di formatura a freddo al fine di formare l'elemento di materiale composito, e

sottoporre l'elemento di materiale composito ottenuto ad un processo di polimerizzazione dell'adesivo polimerico.

Grazie a tali caratteristiche è possibile ottenere pannelli ed elementi strutturali delle dimensioni e della forma voluta, i quali possono essere sottoposti ad operazioni di formatura meccanica a freddo di qualunque tipo, ad esempio stampaggio o imbutitura, senza che lo strato intermedio polimerico subisca danneggiamenti durante l'operazione di formatura in quanto esso non è polimerizzato e permette movimenti relativi fra gli elementi di lamiera che possono quindi deformarsi liberamente. Inoltre gli elementi di materiale composito così ottenuti sopportano senza alcun problema operazioni di saldatura.

L'invenzione ha inoltre per oggetto un elemento strutturale di materiale composito, particolarmente per un veicolo, realizzato per mezzo del procedimento oggetto dell'invenzione.

Inoltre l'invenzione ha per oggetto un pannello di ,materiale composito, includente una coppia di elementi di lamiera fra i quali è interposto un adesivo polimerico non polimerizzatO/ caratterizzato dal fatto che è destinato ad essere sottoposto ad un'operazione di formatura meccanica a freddo e dal fatto che l'adesivo polimerico è suscettibile di polimerizzare completamente soltanto successivamente all’operazione di formatura del pannello.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

la figura la è una vista schematica prospettica di una pluralità di elementi destinati ad essere associati per formare un pannello di materiale composito,

la figura lb è una vista in elevazione sezionata degli elementi della figura la accostati fra loro,

la figura 2 è una vista in elevazione laterale sezionata del pannello della figura lb sottoposto ad un'operazione di formatura meccanica a freddo mediante stampaggio, e

la figura 3 è una vista prospettica del pannello della figura 2 dopo l'operazione di stampaggio.

Con riferimento alle figure, un pannello 3 di materiale composito è costituito a partire da una coppia di elementi sagomati di lamiera 5 e 7, fra i quali è interposto un adesivo polimerico 11 non polimerizzato .

Preferibilmente, fra gli elementi di lamiera 5 e 7 è interposto uno strato intermedio di rinforzo 9, preferibilmente anch'esso sagomato similmente agli elementi 5 e 7, ad esempio costituito da fibre di carbonio o di vetro o aramidiche, del tipo tessuto o non tessuto.

Le lamiere 5 e 7 possono essere preventivamente trattate per eliminare tracce di grassi o varie impurità e di umidità, in modo da favorire l'adesione ad esse dell’adesivo polimerico 11. In particolare, esse possono essere sottoposte ad un primo trattamento di decapaggio successivamente al quale può essere applicato un primer o strato di imprimitura. Se le lamiere 5 e 7 sono zincate o preverniciate non è necessario utilizzare il primer in quanto l'adesivo polimerico 11 aderisce già in modo ottimale sulla superficie delle lamiere così trattate.

Successivamente, l'adesivo polimerico 11 è applicato su di una delle lamiere 5 e 7 se non è presente lo strato 9, mentre quando è presente lo strato intermedio 9, l'adesivo polimerico 11 è applicato ad entrambe le lamiere 5 e 7 in corrispondenza delle loro superfici destinate ad essere rivolte verso lo strato di rinforzo 9, in modo che l'adesivo 11 risulta interposto fra esse e lo strato 9.

Come adesivo polimerico 11 si può utilizzare un adesivo di tipo termoindurente,principalmente quando si desidera che l'elemento strutturale finale sia provvisto di elevate caratteristiche meccaniche ed elevata resistenza alle temperature. In alternativa può essere utilizzato un adesivo polimerico di tipo termoplastico nel caso in cui sia richiesta una 'particolare resistenza nei confronti di rumori o di vibrazioni. L'adesivo termoplastico ha il vantaggio di essere riciclabile ma presenta l'inconveniente di essere più costoso degli adesivi di tipo termoindurente.

L'adesivo 11 può essere applicato in maniera sostanzialmente grossolana senza che sia necessario ricorrere ad operazioni supplementari per distribuirlo in modo uniforme, ad esempio esso può essere erogato automaticamente o con una pistola a miscelatore statico, secondo una pluralità di cumuli, o mucchietti, distinti.

In alternativa, lo strato intermedio 9 può essere costituito da un foglio di fibre resistenti già imbevuto con l’adesivo polimerico 11. in tale caso potranno essere utilizzati anche prodotti già noti e commercializzati da ditte operanti nel settore, ad esempio disponibili sul mercato sotto forma di fogli di lana di vetro imbevuti di un adesivo poliuretanico, epossidico o di altro tipo, in modo tale da essere resi biadesivi.

Gli elementi di lamiera 5 e 7 e l'eventuale strato intermedio 9 sono successivamente accostati fra loro ed il pannello 3 di materiale composito cosi ottenuto può essere disposto in una pressa a doppio effetto per subire un’operazione di formatura meccanica a freddo, ad esempio un'operazione di prima imbutitura.

La figura 2 illustra uno stampo d’imbutitura, indicato con il numero di riferimento 15, che comprende una matrice cava 17 ed un punzone 19 mobile verticalmente (con riferimento alla figura). Lo stampo 15 comprende un dispositivo premilamiera 21 per mantenere saldamente in posizione il pannello 3 durante l'operazione di imbutitura.

Per consentire un posizionamento reciproco ottimale degli elementi 5, 7 e 9 costituenti il pannello 3 durante l’operazione di imbutitura, ed in particolare per impedire scorrimenti relativi fra tali elementi, si utilizzano preferibilmente dispositivi automatici di aggraffatura, ad esempio del tipo per sé noto denominato "clinching", due dei quali sono rappresentati nella figura 2, indicati con il numero di riferimento 23.

I dispositivi 23 comprendono ognuno uno stantuffo 25, montato scorrevole nella matrice 17 lungo una direzione perpendicolare al pannello 3 ed in corrispondenza dei suoi bordi. Ogni stantuffo 25 presenta una testa conica 25a rivolta verso il pannello 3 ed un'estremità opposta affacciata ad una camera in cui è alimentato un fluido in pressione attraverso un condotto di mandata 24. Il premilamiera 21 presenta sedi corrispondenti agli stantuffi 25, ognuna delle quali comprende una pluralità di elementi laterali 27 che definiscono ogni sede, articolati in 27a e suscettibili di divaricarsi in conseguenza dell'avvicinamento della testa conica 25a dello stantuffo 25. Prima dell'avvicinamento del punzone 19 alla matrice 17 e successivamente al bloccaggio del pannello 3 per mezzo del premilamiera 21, il fluido in pressione è alimentato attraverso i condotti 24 per comandare lo spostamento degli stantuffi 25 verso il pannello 23. Le teste 25a attraversano il pannello 3 determinando inoltre uno spostamento angolare degli elementi 27 in modo tale che lungo i bordi del pannello 3 si formano fori con bordi risvoltati 29. I bordi risvoltati 29 permettono di trattenere fermamente nelle rispettive posizioni durante l'operazione di imbutitura, gli elementi 5, 7 e 9 che costituiscono il pannello 3.

Successivamente il punzone 19 è comandato in movimento verso la matrice 17 per effettuare l'operazione di prima imbutitura, durante la quale l’adesivo polimerico 11 si autodistribuisce uniformemente all’interno del pannello 3.

Lo stampo 15, nel caso in cui è utilizzato un adesivo polimerico 11 di tipo termoindurente può essere provvisto di dispositivi di riscaldamento interni come ad esempio una pluralità di canali 30a, 30b, rispettivamente nella matrice 17 e nel punzone 15, internamente ai quali è alimentato un fluido riscaldante, ad esempio olio a circa 70°C, oppure possono essere presenti resistenze elettriche, in modo tale che l'adesivo polimerico 11 subisce già durante la fase di stampaggio un riscaldamento tale da determinare una parziale polimerizzazione. In ogni caso, in conseguenza del calore sviluppato durante la fase di stampaggio a causa delle pressioni e sollecitazioni meccaniche in gioco, l'adesivo 11 subisce già una limitata prepolimerizzazione.

Naturalmente possono anche essere utilizzati dispositivi di stampaggio differenti da quello illustrato, ad esempio includenti un punzone di tipo elastomerico, in modo tale da favorire ulteriormente l'imbutitura del pannello riducendo sensibilmente le tensioni locali generate nel corso dell'operazione di formatura.

Completata l'operazione di formatura, il pannello 3 è rimosso dallo stampo 15 ed è sottoposto ad un processo di polimerizzazione dell'adesivo polimerico, ad esempio esso è posto in un forno, tipicamente per un periodo di circa 30 minuti ad una temperatura di circa 150°C, fino alla completa polimerizzazione dell'adesivo.

Il pannello 3 può quindi essere sottoposto ad eventuali operazioni successive di rifinitura, come ad esempio ulteriori fasi di rifilatura di bordi, tranciatura, ecc..

Il quantitativo ottimale dell'adesivo 11 da utilizzare è determinato in funzione di diversi parametri, ad esempio la resistenza meccanica alla trazione prevista nell'impiego del pannello 3, il potere isolante che esso dovrà presentare nei confronti di temperature e/o rumori e/o vibrazioni, la resistenza al taglio richiesta.Naturalmente si terrà inoltre conto della viscosità dell'adesivo, della pressione cui il pannello è sottoposto durante l’operazione di stampaggio e la luce finale che sarà presente fra la matrice 17 ed il punzone 19 durante l'operazione di stampaggio.

In particolare, pannelli così ottenuti potranno essere utilizzati, su autoveicoli per realizzare paratie isolanti ad esempio fra il pavimento e la marmitta catalitica, fra il vano motore e l'abita-”colo dell’autoveicolo, o per la parete sottoplancia. Inoltre con un tale pannello può essere prodotto il .coperchio delle punterie del motore, ed elementi strutturali quali i montanti della scocca.

Nel caso più generale gli elementi di materiale composito secondo l'invenzione trovano impiego ogni volta che si intendono realizzare elementi con buone proprietà meccaniche e peso contenuto, destinati ad isolare da temperature e/o rumori e/o vibrazioni.

Nel seguito è fornito un esempio di un adesivo polimerico utilizzabile nel corso del procedimento secondo l'invenzione.

L'adesivo polimerico è un adesivo poliuretanico bicomponente strutturale, comprendente una resina A ed una resina B, del tipo particolarmente indicato per essere erogato in modo automatico o con pistole bicomponenti a miscelatore statico.

In particolare i componenti A e B sono resine originate da miscele complesse che comprendono le seguenti percentuali in peso:

resina A: glicoli 50%,

carbonato di calcio 40%, silice amorfa 0,2%, ammine alifatiche 0,8%, zeolite (silicati) 7%, ossido di titanio 2%. resina B: isocianati aromatici da MDI 30%,

silicato di Al 15%, carbonato di calcio 50%, plastificante ftalico 5%. I componenti A e B avranno inoltre le seguenti caratteristiche :

resina A:

viscosità: 200.000-220.000 mPas

peso specifico: 1,4 0,025 g/ml

resina B:

viscosità: 110.000-130.000 mPas

peso specifico: 1,7 ± 0,05 g/ml

Il rapporto di miscelazione sarà:

in peso: componente A = 100

componente B = 121

in volume: componente A = 100

componente B = 100.

Il tempo prima dell’inizio della polimerizzazione dell’adesivo polimerico, cosiddetto "postlife" , è compreso fra 8 e 12 minuti. In tale periodo lo scorrimento sarà =< 2 mm.

La resistenza al distacco per taglio dell'adesivo, dopo che questo ha subito un processo di polimerizzazione secondo un ciclo di 10 minuti a 80°C e 7 giorni a temperatura ambiente, sarà di:

- SMC/SMC esente da polvere = 50 daN/cmq (dove SMC è lo "sheet moulding compound"),

laminazione per cataforesi/laminazione per cataforesi = 100 daN/cmq,

- laminazione sgrassata/laminazione sgrassata = 80 daN/cmq.

Dopo aver subito un processo di polimerizzazione secondo un ciclo di 10 minuti ad 80°C, 30 minuti a 140°C e 90 minuti a 150°C, per un incollaggio SMC/SMC esente da polvere, si rilevano ì seguenti valori di carico limite a taglio:

a 23°C carico a taglia = 130 daN/cmq,

a 80°C carico a taglio = 40 daN/cmq,

dopo un ciclo termico CTUS di 500

carico a taglio= 110 daN/cmq.

Nel caso in cui è utilizzato un primer per migliorare l'adesione e la resistenza all'umidità dell'adesivo polimerico, esso potrà essere del tipo poliuretanico, polisolfurico, siliconico su vetro, metallo, e richiederà circa 30 minuti di essiccazione .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la formatura di un elemento di materiale composito, caratterizzato dal fatto che comprende le seguenti fasi: predisporre una coppia di elementi di lamiera (5, 7), interporre fra gli elementi di lamiera (5, 7) un adesivo polimerico (11) non polimerizzato, congiungere fra loro gli elementi di lamiera (5, 7) con interposto l'adesivo polimerico (11) in modo da formare un pannello di materiale composito (3), sottoporre il pannello (3) ad un'operazione di formatura a freddo al fine di formare l'elemento di materiale composito, e sottoporre l’elemento di materiale composito ottenuto (3) ad un processo di polimerizzazione dell'adesivo polimerico (11).
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi di lamiera (5, 7) sono preventivamente sagomati.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che fra gli elementi di lamiera (5, 7) è interposto uno strato intermedio di rinforzo (9).
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che lo strato intermedio di rinforzo (9) è sagomato similmente agli elementi di lamiera (5, 7).
5. Procedimento secondo la rivendicazione 3 oppure 4, caratterizzato dal fatto che l'adesivo polimerico (11) è interposto fra lo strato intermedio di rinforzo (9) e gli elementi di lamiera (5, 7).
6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 5, caratterizzato dal fatto che l'adesivo polimerico (11) è distribuito secondo una pluralità di cumuli distinti.
7. Procedimento secondo una qualsiasi delle riven-.dicazioni 3 a 5, caratterizzato dal fatto che lo strato intermedio di rinforzo è imbevuto con l'adesivo polimerico.
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7, caratterizzato dal fatto che gli elementi (5, 7; 5, 7, 9) costituenti il pannello (3) sono trattenuti rigidamente in posizione durante l’operazione di formatura da mezzi di ritegno (21; 21, 23) agenti sostanzialmente lungo i bordi del pannello (3).
9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8, caratterizzato dal fatto che l'adesivo polimerico (11) è un polimero termoindurente.
10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il pannello (3) è sottoposto a riscaldamento durante l'operazione di formatura in modo tale che l'adesivo polimerico (11) subisce un processo di parziale polimerizzazione.
11. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8, caratterizzato dal fatto che l'adesivo polimerico (11) è un polimero termoplastico.
12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 11, caratterizzato dal fatto che gli •elementi di lamiera (5, 7) sono trattati in modo da favorire l'adesione dell'adesivo polimerico (11). -
13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che gli elementi di lamiera (5, 7) sono sottoposti ad un'operazione preliminare di decapaggio.
14. Procedimento secondo la rivendicazione 12 oppure 13, caratterizzato dal fatto che sulle superfici degli elementi di lamiera (5, 7) destinate al contatto con l'adesivo polimerico (11) è applicato uno strato di primer.
15. Elemento strutturale di materiale composito, particolarmente per un veicolo, caratterizzato dal fatto che è realizzato per mezzo di un procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 14.
16. Elemento secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che è utilizzato come montante della scocca di un autoveicolo.
17. Elemento secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che è utilizzato come paratia isolante dell'abitacolo di un autoveicolo.
18. Pannello di materiale composito, includente una coppia di elementi di lamiera (5, 7) fra i quali è interposto un adesivo polimerico (11) non polimerizzato, caratterizzato dal fatto che è destinato ad essere sottoposto ad un'operazione di formatura meccanica a freddo e dal fatto che l'adesivo polimerico (11) è suscettibile di polimerizzare completamente soltanto successivamente all'operazione di formatura del pannello (3).
19. Pannello secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che l'adesivo polimerico (11) è un adesivo termoindurente il quale è suscettibile di polimerizzare parzialmente nel corso dell'operazione di formatura del pannello.
20. Pannello secondo la rivendicazione 18 o 19, caratterizzato dal fatto che include uno strato intermedio di rinforzo (9) interposto fra gli elementi di lamiera (5, 7).