Attualmente esistono numerosi processi produttivi per strutture in materiali compositi, che possono essere applicati alla produzione e alla fabbricazione di diverse strutture.Tuttavia, considerando l’efficienza della produzione industriale e i costi di produzione del settore aeronautico, in particolare degli aerei civili, è urgente migliorare il processo di polimerizzazione per ridurre tempi e costi.La prototipazione rapida è un nuovo metodo di produzione basato sui principi della formatura discreta e impilata, che è una tecnologia di prototipazione rapida a basso costo.Le tecnologie comuni includono lo stampaggio a compressione, la formatura di liquidi e la formatura di materiali compositi termoplastici.
1. Tecnologia di prototipazione rapida mediante stampaggio di stampi
La tecnologia di prototipazione rapida dello stampaggio è un processo che posiziona i pezzi preimpregnati pre-posizionati nello stampo di stampaggio e, dopo che lo stampo è stato chiuso, i pezzi grezzi vengono compattati e solidificati tramite riscaldamento e pressione.La velocità di stampaggio è elevata, le dimensioni del prodotto sono precise e la qualità dello stampaggio è stabile e uniforme.Combinato con la tecnologia di automazione, può realizzare la produzione di massa, l’automazione e la produzione a basso costo di componenti strutturali compositi in fibra di carbonio nel campo dell’aviazione civile.
Fasi di stampaggio:
① Ottieni uno stampo metallico ad alta resistenza che corrisponda alle dimensioni delle parti richieste per la produzione, quindi installa lo stampo in una pressa e riscaldalo.
② Preformare i materiali compositi richiesti nella forma dello stampo.La preformatura è un passaggio cruciale che aiuta a migliorare le prestazioni delle parti finite.
③ Inserire le parti preformate nello stampo riscaldato.Quindi comprimi lo stampo a una pressione molto elevata, generalmente compresa tra 800 psi e 2000 psi (a seconda dello spessore della parte e del tipo di materiale utilizzato).
④ Dopo aver rilasciato la pressione, rimuovere la parte dallo stampo ed eliminare eventuali bave.
Vantaggi dello stampaggio:
Per vari motivi, lo stampaggio è una tecnologia popolare.Parte del motivo per cui è popolare è perché utilizza materiali compositi avanzati.Rispetto alle parti metalliche, questi materiali sono spesso più forti, più leggeri e più resistenti alla corrosione, risultando in oggetti con migliori proprietà meccaniche.
Un altro vantaggio dello stampaggio è la sua capacità di produrre parti molto complesse.Sebbene questa tecnologia non possa raggiungere pienamente la velocità di produzione dello stampaggio a iniezione di plastica, fornisce forme più geometriche rispetto ai tipici materiali compositi laminati.Rispetto allo stampaggio a iniezione della plastica, consente anche fibre più lunghe, rendendo il materiale più resistente.Pertanto, lo stampaggio può essere visto come la via di mezzo tra lo stampaggio a iniezione di materie plastiche e la produzione di materiali compositi laminati.
1.1 Processo di formazione della SMC
SMC è l'abbreviazione di materiali compositi per la formatura di lamiere, ovvero materiali compositi per la formatura di lamiere.Le principali materie prime sono composte da filato speciale SMC, resina insatura, additivi a basso ritiro, riempitivi e vari additivi.All'inizio degli anni '60 apparve per la prima volta in Europa.Intorno al 1965, gli Stati Uniti e il Giappone svilupparono successivamente questa tecnologia.Alla fine degli anni ’80, la Cina ha introdotto linee e processi di produzione avanzati di SMC dall’estero.SMC presenta vantaggi quali prestazioni elettriche superiori, resistenza alla corrosione, leggerezza e progettazione tecnica semplice e flessibile.Le sue proprietà meccaniche possono essere paragonabili a quelle di alcuni materiali metallici, quindi è ampiamente utilizzato in settori quali i trasporti, l'edilizia, l'elettronica e l'ingegneria elettrica.
1.2 Processo di formazione BMC
Nel 1961 fu lanciato il composto per stampaggio di fogli di resina insatura (SMC) sviluppato dalla Bayer AG in Germania.Negli anni '60 iniziò a essere promosso il Bulk Moulding Compound (BMC), noto anche come DMC (Dough Moulding Compound) in Europa, che non era addensato nelle sue fasi iniziali (anni '50);Secondo la definizione americana, BMC è un BMC ispessito.Dopo aver accettato la tecnologia europea, il Giappone ha ottenuto risultati significativi nell'applicazione e nello sviluppo della BMC e negli anni '80 la tecnologia era diventata molto matura.Finora, la matrice utilizzata nel BMC è stata la resina poliestere insatura.
BMC appartiene alla plastica termoindurente.In base alle caratteristiche del materiale, la temperatura del cilindro del materiale della macchina per lo stampaggio a iniezione non dovrebbe essere troppo elevata per facilitare il flusso del materiale.Pertanto, nel processo di stampaggio a iniezione di BMC, il controllo della temperatura del cilindro del materiale è molto importante e deve essere predisposto un sistema di controllo per garantire l'idoneità della temperatura, al fine di raggiungere la temperatura ottimale dalla sezione di alimentazione al ugello.
1.3 Stampaggio del policiclopentadiene (PDCPD).
Lo stampaggio del policiclopentadiene (PDCPD) è principalmente una matrice pura piuttosto che una plastica rinforzata.Il principio del processo di stampaggio PDCPD, emerso nel 1984, appartiene alla stessa categoria dello stampaggio del poliuretano (PU) ed è stato sviluppato per la prima volta negli Stati Uniti e in Giappone.
Telene, una filiale della società giapponese Zeon Corporation (con sede a Bondues, Francia), ha ottenuto un grande successo nella ricerca e nello sviluppo di PDCPD e nelle sue operazioni commerciali.
Il processo di stampaggio RIM stesso è più facile da automatizzare e presenta costi di manodopera inferiori rispetto a processi come la spruzzatura di FRP, RTM o SMC.Il costo dello stampo utilizzato da PDCPD RIM è molto inferiore a quello di SMC.Ad esempio, lo stampo del cofano motore del Kenworth W900L utilizza un guscio in nichel e un'anima in alluminio pressofuso, con una resina a bassa densità con un peso specifico di solo 1,03, che non solo riduce i costi ma riduce anche il peso.
1.4 Formatura online diretta di materiali compositi termoplastici rinforzati con fibre (LFT-D)
Intorno al 1990, LFT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics Direct) è stato introdotto sul mercato in Europa e America.La CPI Company negli Stati Uniti è la prima azienda al mondo a sviluppare apparecchiature per lo stampaggio termoplastico composito rinforzato con fibre lunghe in linea diretta e la tecnologia corrispondente (LFT-D, Direct In Line Mixing).È entrata in attività commerciale nel 1991 ed è leader mondiale in questo campo.Diffenbarcher, un'azienda tedesca, ricerca la tecnologia LFT-D dal 1989. Attualmente esistono principalmente LFT D, Tailored LFT (che può ottenere un rinforzo locale basato sullo stress strutturale) e Advanced Surface LFT-D (superficie visibile, superficie elevata qualità).Dal punto di vista della linea di produzione, il livello della pressa Diffenbarcher è molto alto.Il sistema di estrusione D-LFT dell'azienda tedesca COperation occupa una posizione leader a livello internazionale.
1.5 Tecnologia di produzione Casting senza stampo (PCM)
PCM (Pattern less Casting Manufacturing) è sviluppato dal Centro di prototipazione rapida laser dell'Università di Tsinghua.La tecnologia di prototipazione rapida dovrebbe essere applicata ai tradizionali processi di fusione in sabbia di resina.Innanzitutto, ottenere il modello CAD della fusione dal modello CAD della parte.Il file STL del modello CAD della fusione viene stratificato per ottenere informazioni sul profilo della sezione trasversale, che vengono poi utilizzate per generare informazioni di controllo.Durante il processo di stampaggio, il primo ugello spruzza accuratamente l'adesivo su ogni strato di sabbia tramite controllo computerizzato, mentre il secondo ugello spruzza il catalizzatore lungo lo stesso percorso.I due subiscono una reazione di legame, solidificando la sabbia strato dopo strato e formando una pila.La sabbia nella zona in cui l'adesivo e il catalizzatore lavorano insieme si solidifica insieme, mentre la sabbia nelle altre zone rimane allo stato granulare.Dopo aver indurito uno strato, viene incollato lo strato successivo e, dopo che tutti gli strati sono stati incollati, si ottiene un'entità spaziale.La sabbia originale è ancora sabbia asciutta nelle aree in cui l'adesivo non viene spruzzato, facilitandone la rimozione.Rimuovendo la sabbia secca non indurita al centro, è possibile ottenere uno stampo di colata con un certo spessore di parete.Dopo aver applicato o impregnato la vernice sulla superficie interna dello stampo in sabbia, è possibile utilizzarlo per colare il metallo.
Il punto di temperatura di polimerizzazione del processo PCM è solitamente di circa 170 ℃.L'effettiva posa a freddo e la sverniciatura a freddo utilizzate nel processo PCM sono diverse dallo stampaggio.La posa a freddo e lo strippaggio a freddo comportano la posa graduale del preimpregnato sullo stampo in base ai requisiti della struttura del prodotto quando lo stampo si trova all'estremità fredda, quindi la chiusura dello stampo con la pressa di formatura al termine della posa per fornire una certa pressione.A questo punto, lo stampo viene riscaldato utilizzando una macchina per la temperatura dello stampo. Il processo abituale consiste nell'aumentare la temperatura dalla temperatura ambiente a 170 ℃ e la velocità di riscaldamento deve essere regolata in base ai diversi prodotti.La maggior parte di essi sono realizzati con questa plastica.Quando la temperatura dello stampo raggiunge la temperatura impostata, vengono eseguiti l'isolamento e il mantenimento della pressione per polimerizzare il prodotto ad alta temperatura.Una volta completata la polimerizzazione, è inoltre necessario utilizzare una macchina per la temperatura dello stampo per raffreddare la temperatura dello stampo alla temperatura normale e anche la velocità di riscaldamento è impostata su 3-5 ℃/min, quindi procedere con l'apertura dello stampo e l'estrazione della parte.
2. Tecnologia di formazione di liquidi
La tecnologia di formatura liquida (LCM) si riferisce a una serie di tecnologie di formatura di materiali compositi che posizionano prima le preforme di fibre secche in una cavità dello stampo chiusa, quindi iniettano la resina liquida nella cavità dello stampo dopo la chiusura dello stampo.Sotto pressione, la resina scorre e impregna le fibre.Rispetto al processo di formatura delle lattine tramite pressatura a caldo, LCM presenta numerosi vantaggi, tra cui l'idoneità alla produzione di parti con elevata precisione dimensionale e aspetto complesso;Basso costo di produzione e funzionamento semplice.
In particolare il processo RTM ad alta pressione sviluppato negli ultimi anni, HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Moulding), abbreviato come processo di stampaggio HP-RTM.Si riferisce al processo di stampaggio che prevede l'utilizzo di una pressione ad alta pressione per miscelare e iniettare la resina in uno stampo sigillato sotto vuoto, pre-rivestito con materiali rinforzati con fibre e componenti pre-incorporati, e quindi ottenere prodotti in materiale composito attraverso il riempimento del flusso di resina, l'impregnazione, la polimerizzazione e la sformatura. .Riducendo il tempo di iniezione, si prevede di controllare il tempo di produzione dei componenti strutturali dell'aviazione entro decine di minuti, ottenendo un alto contenuto di fibre e una produzione di parti ad alte prestazioni.
Il processo di formatura HP-RTM è uno dei processi di formatura di materiali compositi ampiamente utilizzato in molteplici settori.I suoi vantaggi risiedono nella possibilità di ottenere una produzione di massa a basso costo, a ciclo breve e di alta qualità (con una buona qualità superficiale) rispetto ai tradizionali processi RTM.È ampiamente utilizzato in vari settori come la produzione automobilistica, la costruzione navale, la produzione di aeromobili, macchine agricole, trasporti ferroviari, produzione di energia eolica, articoli sportivi, ecc.
3. Tecnologia di formatura del materiale composito termoplastico
Negli ultimi anni, i materiali compositi termoplastici sono diventati un punto caldo della ricerca nel campo della produzione di materiali compositi sia a livello nazionale che internazionale, grazie ai loro vantaggi di elevata resistenza agli urti, elevata tenacità, elevata tolleranza ai danni e buona resistenza al calore.La saldatura con materiali compositi termoplastici può ridurre significativamente il numero di collegamenti con rivetti e bulloni nelle strutture degli aeromobili, migliorando notevolmente l'efficienza produttiva e riducendo i costi di produzione.Secondo Airframe Collins Aerospace, un fornitore di prima classe di strutture per aeromobili, le strutture termoplastiche saldabili non pressate a caldo hanno il potenziale di abbreviare il ciclo di produzione dell'80% rispetto ai componenti compositi metallici e termoindurenti.
L'uso della quantità di materiali più adatta, la selezione del processo più economico, l'uso dei prodotti nelle parti appropriate, il raggiungimento degli obiettivi di progettazione predeterminati e il raggiungimento del rapporto ideale tra costi e prestazioni dei prodotti sono sempre stati la direzione degli sforzi per i professionisti dei materiali compositi.Credo che in futuro verranno sviluppati più processi di stampaggio per soddisfare le esigenze di progettazione della produzione.
Orario di pubblicazione: 21 novembre 2023
