Corso di “Tecnologie Speciali I” prof. Luigi Carrino

PULTRUSIONE

Tecnologie a Stampo Chiuso

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SCHEMATIZZAZIONE

2 metodi di lavorazione: wet method & dry method (preimpregnati)

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VANTAGGI

• elevata resistenza a

trazione

• alta percentuale di

rinforzo

• buon isolamento elettrico

• bassi costi dovuti alla

produzione in continuo

• geometria del manufatto

può essere anche

complessa, ma solo a

sezione costante

SVANTAGGI

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APPLICAZIONI

ELETTRICO

32%

ALTRO

17%

EDILE

17% TRASPORTI

10%

PETROLCHIMICO

17%

TEMPO LIBERO

7%

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FASI del PROCESSO

ALIMENTAZIONE DEL RINFORZO

IMPREGNAZIONE NELLA RESINA

PREFORMATURA

FORMATURA

POLIMERIZZAZIONE

TRAZIONE

TAGLIO

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FASI del PROCESSO

ALIMENTAZIONE DEL RINFORZO

I pezzi pultrusi presentano elevata resistenza, ottenibile però solo

con un corretto posizionamento del rinforzo all’interno del

laminato composito.

Le fibre utilizzate in pultrusione possono presentarsi sotto diversi

formati commerciali:

• Roving

• Mat

• Roving + Mat

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FASI del PROCESSO

ALIMENTAZIONE DEL RINFORZO

Il mat viene usato sotto forma di nastri di varia larghezza avvolti in rotoli di circa

100 metri di lunghezza.

L’estremità di un rotolo di mat può essere cucita a mano al lembo iniziale del

successivo.

MAT

Il rinforzo è raccolto in bobine.

Vicino a ciascuna bobina di alimentazione viene posizionata la successiva e i capi

del roving dei due rotoli sono intrecciati per garantire la continuità.

Per tener separati i filamenti vengono fatti passare attraverso guide ad anello.

ROVING

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FASI del PROCESSO

ALIMENTAZIONE DEL RINFORZO

In alcuni casi i due tipi di rinforzi esaminati vengono posizionati in sandwich: si

racchiude il roving diretto secondo l’asse di pultrusione tra due strati di mat.

Si hanno discrete proprietà anche in direzione trasversale.

ROVING + MAT

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FASI del PROCESSO

IMPREGNAZIONE NELLA RESINA

Le fibre asciutte vengono trascinate all’interno di un bagno di

resina.

Le vaschette d’impregnazione hanno

• lunghezza compresa tra 1 e 2 metri

• larghezza variabile.

Al loro interno, sono posizionati dei rulli che guidano il

rinforzo secondo un percorso a zig-zag, in direzione della

profondità. In alcuni casi, si fa passare il filo attraverso due rulli

che lo schiacciano leggermente, facilitando la penetrazione

della matrice tra le fibre.

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FASI del PROCESSO

IMPREGNAZIONE NELLA RESINA

La viscosità della resina deve essere opportunamente controllata.

Valori troppo elevati porterebbero ad una scarsa impregnazione delle

fibre, ad una velocità minore nella linea.

Valori troppo bassi della viscosità comporterebbero un’eccessiva

impregnazione.

La viscosità della resina può essere abbassata aumentando la

temperatura del bagno. Tale riscaldamento può provocare però

problemi nel caso di presenza, all’interno della resina, di agenti

catalizzatori a bassa temperatura.

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FASI del PROCESSO

PREFORMATURA

Il materiale non assume la forma di progetto in un’unica

operazione, ma passando per forme intermedie.

La formatura graduale permette:

1. migliore allineamento delle fibre;

2. recupero della resina in eccesso;

3. cambiamento graduale della geometria, dato che a valle

dell’impregnazione le fibre sono sotto forma di nastro.

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FASI del PROCESSO

FORMATURA

Si tratta dell’operazione principale del processo di pultrusione in quanto il materiale

viene costretto a passare attraverso una trafila e ad assumerne la forma.

Lo stampo risulta l’elemento più costoso

del sistema, quindi richiede un’accurata

fase di progetto.

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FASI del PROCESSO

FORMATURA

La trafila è lunga da 300 fino a 1500 mm (costo proporzionale alla lunghezza).

La lunghezza dipende:

1.sezione del pezzo (aumenta all’aumentare della sezione);

2.velocità del processo (aumenta all’aumentare della cadenza di produzione);

3.tipo di resina.

TRAFILA

La trafila deve essere disposta perfettamente parallela al proprio asse ed allineata con

i sistemi pre e post formatura.

L’ingresso e l’uscita sono intercambiabili (zona d’ingresso più soggetta ad usura).

L’ingresso deve inoltre prevedere una rastrematura di circa 7-10° (eliminazione della

resina in eccesso).

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FASI del PROCESSO

FORMATURA

Nella progettazione della trafila è importante tener conto

dell’espansione del materiale in fase di polimerizzazione, e del

successivo ritiro; solo in questo modo si potranno evitare

pericolose sollecitazioni di taglio.

Ad esempio, per resina epossidica rinforzata in carbonio, le

dimensioni dello stampo vengono maggiorate di circa il 2%.

TRAFILA

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FASI del PROCESSO

POLIMERIZZAZIONE

Da essa dipendono:

• la qualità del prodotto

• la cadenza di produzione.

Ha luogo all’interno della filiera grazie al riscaldamento per conduzione da parte

dello stampo stesso.

Lo stampo può essere riscaldato in vari modi:

• piastre esterne,

• resistenze elettriche interne (più costoso),

• sistemi radianti o a circolazione di olio caldo.

In tutti i casi è importante che la temperatura, solitamente compresa tra i 150 e i

170°C, sia controllata in tutti i punti del manufatto e per ogni turno di lavoro, in

modo che la tolleranza massima sia di 1°C.

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FASI del PROCESSO

POLIMERIZZAZIONE

Per accelerare la fase di polimerizzazione spesso viene effettuato un

preriscaldamento a valle dell’impregnazione mediante un sistema a

microonde che riscalda il materiale dall’interno verso l’esterno;

successivamente il riscaldamento, di tipo elettrico, che agisce

dall’esterno, completa l’indurimento.

o

Pultrusione a piu’ zone di riscaldamento (normalmente 3)

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FASI del PROCESSO

TRAZIONE

Originariamente veniva svolta da catene o cavi, oggi , invece, si utilizzano:

1. caterpillar (metodo costoso e poso versatile, in quanto la superficie di contatto

deve avere la stessa forma del manufatto);

2. morsetti montati su sistemi con moto alternativo (più versatile, in quanto i

morsetti, che afferrano lateralmente il pezzo, possono avere lo stesso profilo

anche per geometrie molto diverse).

La velocità di trascinamento: 1.5 e 100 m/h

La forza di trazione: 10 e 1000 MN

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FASI del PROCESSO

TRAZIONE

La forza di trazione deve essere tale da bilanciare l’effetto combinato di tre fattori:

• la forza d’attrito delle fibre che strisciano sulle pareti dello stampo;

• la forza di taglio viscoso tra un sottilissimo strato di resina e le pareti dello stampo;

• la resistenza all’ingresso dello stampo dovuto al flusso inverso della resina.

La forza di trazione cresce con:

• l’aumento della percentuale volumetrica di fibra

• con la viscosità della resina

• con la velocità di avanzamento.

Il controllo della forza di trazione e la progettazione del sistema di tiraggio risulta

fondamentale per garantire il corretto allineamento delle fibre e per evitare i tipici

difetti dei materiali pultrusi.

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FASI del PROCESSO

TAGLIO

Viene svolto da una sega con lame in carburo di silicio o

diamante.

Il moto è automatico con direzione ortogonale alla direzione di

movimentazione del pezzo (velocità relativa nulla).

Finita la corsa la sega viene riportata nella posizione iniziale.

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MATERIALI

MATRICE

RINFORZO

STAMPO

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MATERIALI

MATRICE

Le resine devono essere a bassa viscosità, di solito termoindurenti:

• poliesteri insaturi (le piu’ utilizzate poiche’ meno costose);

• epossidiche

• siliconiche.

Spesso alla resina vengono aggiunti dei pigmenti in modo da

ottenere un pezzo già colorato e/o per una maggiore resistenza ai

raggi ultravioletti.

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MATERIALI

MATRICE

Le epossidiche, invece, vengono preferite alle poliesteri quando è richiesto il

rinforzo in carbonio, per due motivi:

1. con le poliesteri otterrei proprietà meccaniche scadenti (bassa resistenza a fatica

e al taglio);

2. la volatilità dello stirene è troppo elevata

3. problema del ritiro

2 metodi di lavorazione: wet method & dry method (preimpregnati)

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MATERIALI

RINFORZO

• Roving

• Mat

• Tessuti.

Il roving è sicuramente quello più economico, seguito dal mat; i

tessuti, invece, sono i più costosi.

Il rinforzo piu’ utilizzato è il vetro, ma in alcuni casi c’è stato anche

l’uso di fibre di carbonio ed aramidiche (i costi sono alquanto elevati).

In genere, un componente pultruso contiene al massimo il 70% in peso

di fibra.

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MATERIALI

STAMPI Caratteristiche fondamentali:

1. ottime caratteristiche meccaniche ad alte temperature;

2. elevata resistenza agli agenti chimici (della resina e dei detergenti);

3. buona lavorabilità

• per ottenere rugosità superficiale spinta (0.2m Ra),

• per ricavare spigoli vivi in corrispondenza delle linee di

giunzione;

4. elevata durezza superficiale

Il materiale più utilizzato è l’acciaio cromato.

Cromatura (ogni 20.000/30.000 m di pultruso).

In molti casi, si preferisce un acciaio alto legato in quanto il cromo viene

attaccato dalle resine epossidiche.