Introduzione

INTRODUZIONE

I materiali compositi sono considerati con notevole interesse nelle applicazioni strutturali poiché presentano elevate caratteristiche meccaniche specifiche; alcune di queste risultano migliorate nella tipologia dei compositi tessuti: l’utilizzo di fasci di fibre, detti yarn, intrecciati secondo tipologie simili a quelle dei tessuti tradizionali o secondo tipologie di tessitura innovative, permettono di superare alcuni limiti tipici dell’utilizzo di compositi laminati. In particolare l’utilizzo di tessuti consente di ottenere manufatti con elevate caratteristiche di resistenza all’impatto ed alle sollecitazioni fuori dal piano del laminato. 

Durante le diverse fasi di realizzazione, le caratteristiche “di progetto” del materiale possono essere notevolmente ridotte da effetti degradativi quali l’insorgenza di tensioni residue. Le cause di tensioni e/o deformazioni, non dovute a carico esterno ed indicate come residue, sono di diversa origine e legate a tutte le fasi del processo di realizzazione del componente. Rilevanti sono, in tal senso, i processi produttivi delle fibre e degli yarn durante le quali i materiali vengono sottoposti ad elevati gradienti termici (fino a 1600° nella realizzazione di fibre ad alto modulo) e ad elevate deformazioni meccaniche, in particolare quando lo yarn è ottenuto attorcigliando le fibre (tipologia “twisted”). I processi di produzione del tessuto secco impongono agli yarn elevati livelli di tensione e deformazione; ne deriva che esso, anche quando non’è impregnato di resina, è gia affetto da tensioni interne.

L’impregnaggio delle stuoie di tessuto “secco” si sono rivelate essere uno degli aspetti critici del processo produttivo: la modalità “hot-melt” di impregnazione, basata sul passaggio del tessuto tra due rulli analoghi a quelli dei laminatoi tradizionali, induce delle deformazioni permanenti alle stuoie compromettendone, talvolta in maniera irrimediabile, la planarità. Per la produzione di parti finite il materiale deve infine essere conformato secondo la geometria finale e sottoposto al processo di “curing” per l’indurimento della matrice.

 Nel caso di compositi a matrice polimerica termoindurente i processi di conformazione e cura possono essere svolti contemporaneamente, usando tecniche quali la pultrusione ed il trasferimento di resina nello stampo, o in successione, come nelle tecnologie del “sacco a vuoto” e del “filament winding”.  Indipendentemente dal tipo di processo alla fine del “curing” il manufatto presenta una geometria diversa da quella progettata, fatto questo che puo’ decretarne la non funzionalità. Una parte di queste distorsioni sono legate alla geometria ed al processo di conformazione del componente, un’altra, è legata al processo di curing.

Per i compositi plastici nel processo di curing la resina polimerizza fornendo al materiale le caratteristiche meccaniche finali. In questa fase gli aspetti che concorrono alla nascita di tensioni residue sono le diverse proprietà termo-fisiche dei materiali, caratterizzati da differenti coefficienti di espansione termica, il ritiro volumetrico associato alla polimerizzazione della resina, l’interazione con lo stampo di formatura, i flussi di materia, la variazione delle caratteristiche meccaniche. Lo stato tensionale residuo viene “rilasciato” in larga misura quando il componente, liberato dai vincoli di formatura si deforma, con una distorsione che causa l’inutilizzabilità del componente ottenuto.

            Al fine di ridurre le tensioni residue le strategie di intervento sono differenti e legate a ciascuna fase del processo produttivo; in questa tesi si è focalizzato l’intervento sul processo di curing, finalizzando lo studio alla ricerca di una strategia di ottimizzazione dei parametri caratteristici del processo. Lo studio ha presentato notevoli difficoltà legate alla varietà delle problematiche connesse ed alla peculiarità del materiale utilizzato. Indispensabile per la definizione delle strategie di analisi e di ottimizzazione si è rivelato l’approfondimento bibliografico che ha fornito come riferimento dati e strategie utilizzati.

La prima parte dello studio è stata svolta in stretta collaborazione con Alenia Spazio, ha riguardato due campi distinti. La prima è stata finalizzata a migliorare le tecniche di caratterizzazione del materiale con prove di trazione, la seconda ha riguardato le prove di curing: utilizzando laminati di forma standard sono state effettuate variazioni delle condizioni di processo, con l’obiettivo di valutare l’incidenza dei parametri e l’ottenimento di laminati con il minimo livello di stress residui.

La second parte dell’attività è stata dedicata alla modellazione numerica; essa presenta difficoltà legate sia al materiale da modellare, sia al processo da simulare. Relativamente al materiale è necessario bilanciare requisiti di aderenza del modello numerico a quello reale e richieste di risorse di calcolo. La simulazione del processo di curing richiede l’analisi di processi non comuni nella modellazione agli elementi finiti e di carattere spiccatamente non lineare.

I capitoli in cui la presente tesi è suddivisa rispecchiano la sequenza delle attività svolte: dopo la necessaria presentazione dei materiali compositi (capitolo 1) vengono studiate alcune tecniche di caratterizzazione e messa a punto una metodologia basata sull’uso degli estensimetri (capitolo 2). Lo studio dei fenomeni che si sviluppano nel processo di curing (capitolo 3) sono una delle basi sulle quali poggiano le strategie di intervento individuate. L’altra “base” è quella fornita dalle prove sperimentali sui laminati campione (capitolo 4). La sezione dedicata al calcolo numerico (capitolo 5) presenta le strategie di modellazione adottate ed i risultati delle analisi effettuate.

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