La levigatura di modelli e stampi

La commercializzazione di particolari in composito rinforzato con fibra di carbonio è una tendenza che sta prendendo piede per una gran varietà di mercati e applicazioni. La fibra di carbonio consente di produrre componenti estremamente leggeri, resistenti e persino molto apprezzati a livello estetico, grazie all’elegante effetto “carbon look” con superfici di un nero intenso, piacevolmente intarsiato dalla trama delle fibre. Tutto questo ha valore fintantochè tali superfici risultino perfettamente integre e levigate, condizione che non sempre risulta semplice da ottenere senza specifici accorgimenti in termini di trattamenti di modelli e stampi.

Purtroppo, infatti, l’impiego generalizzato di questo valido e innovativo materiale presenta diversi limiti, tra cui, non ultimo, le maggiori complicazioni introdotte nei processi produttivi. Le resine polimeriche nelle quali la fibra di carbonio è immersa, per polimerizzare in modo tale da offrire il massimo in termini di prestazioni ed estetica, necessitano del vuoto spinto e delle alte temperature che una autoclave può offrire. Nonostante qualche complicazione, i vantaggi garantiti dalla fibra di carbonio restano indiscutibili e così da diversi anni si assiste ad una corsa tecnologica che mira a sviluppare soluzioni per un processo sempre più efficace. La produzione con autoclave prevede alcuni passaggi essenziali:
– applicazione del materiale sullo stampo (“laminazione”)
– preparazione del sacco a vuoto
– applicazione del vuoto mediante pompa
– cura in autoclave a temperatura e pressione controllata
– raffreddamento progressivo
– estrazione del particolare dallo stampo (“de-moulding”)

Questi consentono di realizzare forme anche complesse, con ottime performance in termini di qualità finale e nel controllo di processo. Allo stesso tempo, data le scarse possibilità di automazione, mostra diversi limiti per quanto riguarda costi e volumi di produzione. Per questo si stanno provando anche altre strade, verso tecnologie “out-of-autoclave” quali, tra le altre: compression moulding, induction welding, liquid moulding, sheet moulding compound, badder moulding. Allo stato attuale, tuttavia, l’autoclave resta indiscutibilmente la soluzione più comune in una grande varietà di situazioni. Ma, anche in questo caso, l’esigenza di innovazione nel processo è forte, concentrata su materiali, processi e trattamenti.

Proprio in tale ottica si inquadra questo studio, dove viene descritta una complessa circostanza che ci siamo trovati ad affrontare nel momento in cui siamo andati a scegliere un nuovo materiale, il poliuretano, per realizzare il modello sul quale costruire poi lo stampo. Ma forse conviene cominciare con qualche premessa tecnica.

Per realizzare in composito un componente dalle forme complesse, il modo forse più appropriato di procedere è quello di partire da un modello, che presenta le geometrie volute, è di costruirci intorno uno stampo in composito. Il modello viene sagomato tramite fresatura a CNC (Figura 1), mentre lo stampo è realizzato secondo le già accennate tecniche di lavorazione dei compositi. Una volta disponibile tale stampo, lo si usa per produrre il componente desiderato. Spesso lo stampo, e quindi anche il relativo modello, deve essere costruito in due metà, in modo da facilitare l’estrazione delle parti dal suo interno, ma complicando un po’ la procedura. Di solito i materiali utilizzati per modello, stampo e componenti sono diversi. Mentre questi ultimi sono scelti per rispondere alle richieste di mercato e del progettista (ad esempio, composito rinforzato con fibre di carbonio), per gli altri (modello e stampo) chi si occupa del processo è abbastanza libero. Potrebbe quindi cercare di ottimizzarne i costi e la lavorabilità, ma si trova di fronte diversi limiti. E spesso poche informazioni. Nello specifico, nel caso di particolari in fibra di carbonio, un’ottima soluzione potrebbe essere quella di utilizzare per lo stampo una resina epossidica. A differenza del poliestere, questa resina non mostra ritiri significativi e quindi, durante la polimerizzazione, evita l’insorgere nello stampo di tensioni e deformazioni non desiderate. E, per essere ancora più certi della precisione dimensionale nel manufatto finale, questa resina andrebbe caricata proprio con fibra di carbonio, invece della più economica fibra di vetro. I ritiri differenziati tra stampo e particolare rappresentano infatti uno dei problemi principali da affrontare per produrre per componenti in composito di buona qualità. Per motivi analoghi, gli stampi in metallo (tipicamente alluminio) non sempre offrono una valida alternativa a quelli in composito, risultando, tra l’altro, di solito molto più costi. Una volta realizzata la laminazione va favorita la corretta polimerizzazione della resina. A questo scopo sul manufatto viene adagiato uno strato di peeply, uno di microforato, un feltrino per distribuire la depressione; poi viene bordato il tutto con del nastro mastice e applicato il sacco per il vuoto. A questo punto si inseriscono le prese o ventose e tramite una pompa per il vuoto, si forma appunto il vuoto. Quando il tutto è ben indurito da una iniziale polimerizzazione, si inserisce in autoclave per circa una metà giornata, con rampe controllate, per poi estrare il manufatto.

Il problema sorge se, come nel nostro caso, lo stampo fuoriesce dal sacco deformato nel suo insieme, fratturato in diversi punti, ma, soprattutto, incastrato nel modello, che, quindi, ne risulta anch’esso danneggiato (Figura 2).

I materiali utilizzati

Immediatamente l’attenzione è ricaduta su materiale utilizzato per i modelli, relativamente nuovo e poco conosciuto per questi utilizzi. Si tratta di una schiuma poliuretanica (Blue Corintho HT 700 prodotta da Duna Corradini). Il dubbio non riguardava tanto la validità del materiale in sé, quanto piuttosto la cor- rettezza del pre trattamento suggerito per garantire il distacco dello stampo dal modello. Secondo le indicazioni del produttore, la presenza di un ben determinato distaccante, applicato in uno specifico modo, sarebbe stata condizione sufficiente ad assicurare il corretto distacco dello stampo dal modello. Questa indicazione è apparsa come la prima cosa da verificare. L’esperimento ha preso avvio da una lastra di resina poliuretanica di 250×250 mm con 40 mm di spessore (Figura 3), mantenuta in autoclave per 10 ore ad una temperatura di 80°C. Questo trattamento termico preliminare, non effettuato nel precedente caso, ha mirato a garantire la totale fuoriuscita di sostanze volatili eventualmente presenti nel materiale. All’uscita dell’autoclave la superficie della lastra è stata levigata (Figura 3) utilizzando una leggera carta abrasiva (Tri-M-ite Frecut P400 a granulometria 400) con lo scopo di facilitare la penetrazione dei successivi agenti chimici. Sono state ricavate 4 regioni, ognuna trattata in modo differente:

1 – turapori
2 – turapori + distaccante
3 – turapori + distaccante + cera
4 – distaccante + cera

dove turapori, distaccante e cera (rispettivamente Zyvax Sealer GP, Zyvax Flex-Z 5.0 e FR16) sono stati applicati manualmente (Figura 3). A parte la cera, che è stata applicata solo una volta, le altre sostanze hanno visto tre deposizioni successive, intervallate di 30 minuti per consentirne il consolidamento. A questo punto si è passati alla deposizione del carbonio. Invece di combinare fibra e resina, si è preferito usare un tessuto pre impregnato. Più nel dettaglio, il laminato è stato realizzato sovrapponendo 4 strati di carbonio “twill“, impregnato da epossidica, con una densità di 630 g/m2 e strati orientati [0/90]2 (Figura 4). A questa densità superficiale, misurata dal produttore sul “tessuto secco” (ossia composto da sole fibre di carbonio), è da aggiungere circa un 40% in termini di peso, rappresentato dalla resina dopo la catalizzazione. Si arriva così ad una densità di circa 3,5 kg/m2 per un laminato estremamente rigido e robusto, adatto ad usi strutturali.