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Informazioni generali sui compositi in fibra

  • Informazioni generali sui compositi in fibra
    • I compositi rinforzati in fibra sono materiali misti o multifase costituiti essenzialmente da due componenti principali: la matrice circostante (plastica, resine sintetiche) e le fibre di rinforzo (es. vetro, carbonio, polimeri o ceramica).
      I fasci di fibre sono circondati dalla matrice.

      La combinazione di questi due componenti conferisce al materiale proprietà di qualità superiore rispetto a uno dei due componenti utilizzati singolarmente.

      Vantaggio: In linea di principio, i compositi in fibra sono più stabili dei materiali monocomponenti realizzati in plastica a parità di peso.

      Tuttavia, poiché le fibre trasmettono il carico principale nel componente, la fibra deve essere allineata secondo i percorsi di carico nel componente.


I seguenti tipi di fibre sono quelli più utilizzati nei compositi in fibra:

  • Fibre di vetro (GRP)
  • Fibre di carbonio (CFRP)
  • Fibre ceramiche o minerali (ad es. da ossido di alluminio, fibre di basalto)
  • Fibre di nylon
  • Fibre aramidiche
  • Fibre naturali
  • Fibre d'acciaio
  • Fibre di boro

Le fibre di vetro rappresentano anche i tipi di fibra più utilizzati con una quota superiore al 90%. A seconda dell'applicazione, la lunghezza delle fibre di vetro di rinforzo tipiche è compresa tra 10 e 300 µm. Le fibre di lunghezza superiore a 1 mm sono già considerate lunghe nel campo della lavorazione delle materie plastiche.

I seguenti polimeri sono i più utilizzati come materiale per la matrice di inclusione:

Termoindurente: resine fenoliche, resine poliestere, resine epossidiche, resine poliimmidiche

Termoplastiche: Polipropilene, Poliammide, Polifenilsolfuro, Polietereterchetone, Polisulfone, Polieterimmide, Polifenilsulfone, Polietersulfone, Poliammide

La poliammide 6.6 è ampiamente usata come materiale di matrice con una miscela dal 20 al 50 percento in peso di fibre di vetro.

Esistono i seguenti processi per la produzione di componenti compositi in fibra personalizzati:

  • Processo di laminazione manuale
  • Laminazione manuale con presse sottovuoto
  • Spruzzatura di fibre
  • Avvolgimento di fibre
  • Infusione sotto vuoto
  • Tecnologia preimpregnata (ad es. nella costruzione di aeromobili)
  • Stampaggio a iniezione
  • Estrusione
  • Sheet Moulding Compound (SMC)
  • Cemento rinforzato in fibra

Tuttavia, la maggior parte delle parti in plastica rinforzata con fibre viene prodotta in modo economico mediante stampaggio a iniezione.


Aree di applicazione

Le recenti tendenze e i progressi nella produzione e nella riduzione dei costi dei materiali compositi hanno aumentato il loro utilizzo nei trasporti, nell'industria e in molti altri mercati oltre al loro uso tradizionale nel campo aerospaziale. Spinti dalle crescenti normative governative sulle emissioni dei veicoli, la necessità di leggerezza e l'aumento della domanda da parte dei consumatori finali di prodotti, materiali compositi e parti ad alte prestazioni stanno diventando sempre più parte delle specifiche di progettazione quotidiane di un ingegnere. I compositi vengono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni per ridurre il peso, fornire una migliore resistenza ambientale, un'estetica migliorata, maggiori opzioni di progettazione e un aumento del rapporto rigidità/peso. 


Incollaggio mediante adesivo per compositi in fibra nel mix di materiali

I compositi richiedono nuovi metodi di incollaggio o unione (oltre ai tradizionali metodi meccanici e termici) per consentire l'ottimizzazione del design e delle prestazioni. Fortunatamente, i progressi negli adesivi strutturali (come gli epossidici, gli acrilici e gli uretani) hanno permesso ai progettisti di creare prodotti che soddisfano i requisiti di integrità strutturale senza l'uso di dispositivi di fissaggio meccanici, rivetti o saldature. Inoltre, questi adesivi strutturali funzionano bene con più substrati tra cui plastica, metalli e compositi senza sacrificare le proprietà prestazionali.

Persino le plastiche a bassa energia superficiale (LSE), come poliolefina termoplastica (TPO), polipropilene (PP) e polietilene (ad esempio, HDPE), che nel passato dovevano essere fissate meccanicamente o richiedevano la saldatura a caldo, ora possono essere fissate mediante speciali adesivi strutturali.

Per unire materiali compositi o misti, i fissaggi meccanici (come fissaggi meccanici, viti, ecc.) possono essere utilizzati praticamente con qualsiasi superficie, ma richiedono passaggi aggiuntivi per modellare o creare caratteristiche ottimali per il fissaggio. Ciò può portare a concentrazioni di sollecitazioni, che possono provocare rotture della plastica e problemi prematuri. Inoltre, praticare fori nei materiali compositi ne determina una resistenza ridotta a causa dell'introduzione di discontinuità nella matrice e nelle fibre di rinforzo. Tutti i metodi di fissaggio meccanico comporteranno un aumento del peso e spesso una finitura estetica peggiore.

La saldatura a caldo e a frizione è un'alternativa comune a determinati composti. Tuttavia, queste tecniche di saldatura sono ad alta intensità di energia e di utensili e presentano limiti nelle geometrie e combinazioni di substrati che possono essere affrontate. Oltre a formare legami forti, gli adesivi strutturali possono ridurre i costi complessivi aumentando la durata dei prodotti; e sono in genere più leggeri dei dispositivi di fissaggio meccanici. La durata risulta migliorata perché gli adesivi distribuiscono la sollecitazione su tutta l'area incollata, mentre i dispositivi di fissaggio meccanici, i rivetti e la saldatura a punti possono creare una concentrazione di sollecitazioni che porta a punti deboli sui substrati. Inoltre, l'uso di adesivi fornisce un modo per sigillare l'intera area di incollaggio fornendo anche un giunto ad alta resistenza. Un'altra enorme considerazione e un notevole vantaggio relativo all'incollaggio mediante adesivo è la facilità con cui consente di combinare materiali diversi, rispetto ai metodi meccanici convenzionali. Ad esempio, gli adesivi strutturali prevengono la corrosione galvanica tra metalli diversi. Infine, l'aspetto più pulito dei giunti incollati rispetto ai dispositivi di fissaggio meccanici consente di ottenere prodotti più belli ed efficienti senza ulteriori lavori di finitura. Pertanto, l'incollaggio potrebbe essere l'opzione migliore per unire la prossima generazione di compositi e materie plastiche per ingegneria. 

Adesivi idonei

Per l'unione di materiali leggeri sono stati sviluppati sul mercato numerosi prodotti, inclusi gli adesivi di 3M, che sono perfettamente adatti per il riempimento o l'unione efficiente di compositi in fibra, di sistemi multimateriale e di plastiche a basso consumo energetico.

Questi includono, ad esempio:

  • Poliuretani Adesivi strutturali a base di resine acriliche o epossidiche monocomponenti e bicomponenti.
  • Pellicole adesive strutturali per compositi e plastiche a base di resina epossidica ad alte prestazioni.
  • I riempitivi per anime e bordi a bassa densità sono adatti per rinforzare strutture a nido d'ape altamente rigide, ad esempio nella costruzione di veicoli o aerei.
  • I nastri adesivi in schiuma acrilica possono essere utilizzati per sostituire rivetti o fissaggi meccanici.
SUBSTRATO 2
Metalli
  • Alluminio
  • Acciaio laminato a freddo
  • Acciaio galvanizzato
Epossido - rinforzato in fibra
  • Fibra di carbonio (CFRP)
  • Fibra di vetro
Resina termoindurente rinforzata in fibra
  • Poliestere (FRP)
  • Fenolico
  • Fogli di materiale composito SMC (Sheet Moulding Compound)
Termoplastiche
  • Poliolefina
  • PET
Altre termoplastiche
  • Acrilico/PMMA
  • Policarbonato (PC)
  • PVC rigido e HIPS
Nylon - rinforzato in fibra

SUBSTRATO 1

Metalli DP420NS
DP125 Grigio
DP420NS
DP6310NS
DP6310NS
DP8410NS
DP8010 Blu DP8410NS
DP6310NS
DP6310NS
  • Alluminio
  • Acciaio laminato a freddo
  • Acciaio galvanizzato
Resina epossidica rinforzata in fibra DP420NS
DP6310NS
760
DP6310NS
DP8410NS
760
DP8010 Blu DP8410NS
DP6310NS
DP6310NS
  • Fibra di carbonio (CFRP)
  • Fibra di vetro
Resina termoindurente rinforzata in fibra DP6310NS
DP8410NS
760
DP8010 Blu DP8410NS
DP6310NS
DP6310NS
  • Poliestere (FRP)
  • Fenolico
  • Fogli di materiale composito SMC (Sheet Moulding Compound)
Termoplastiche DP8010 Blu DP8010 Blu DP8010 Blu
  • Poliolefina
  • PET
  • HDPE
Altre termoplastiche DP8010 Blu DP8010 Blu
  • Acrilico/PMMA
  • Policarbonato (PC)
  • PVC rigido e HIPS
Nylon rinforzato in fibra DP6310NS

Un esempio è costituito dall'adesivo poliuretanico per materiali compositi 3M™ Scotch-Weld™ DP6330NS. Si tratta di un uretano bicomponente verde in forma di pasta, anti-colatura, usato per l'incollaggio di una varietà di compositi, plastica, metalli e legno. Questo adesivo flessibile ha un buon assorbimento di energia e proprietà di resistenza a fatica per l'incollaggio durevole di parti composite e assemblaggi multimateriali.

Quando si utilizza un adesivo a doppia cartuccia Duo-Pak (DP), il dispositivo di erogazione 3M™ garantisce massima precisione e praticità in termini di misurazione, miscelazione ed erogazione. Progettato specificamente per assemblaggi multimateriale e compositi, il nostro adesivo poliuretanico per compositi multimateriale 3M™ Scotch-Weld™ DP6330NS offre resistenza e prestazioni eccezionali. Questo adesivo ha eccellenti proprietà di allungamento e sforzo-deformazione per un incollaggio duraturo di parti composite e assemblaggi multi-materiale, inclusi metalli, legno e plastiche. Con un rapporto di miscelazione 1:1, questo adesivo verde ha un tempo aperto di 30 minuti e raggiunge la resistenza alla manipolazione in circa 2 ore. L'adesivo presenta un'eccellente resistenza all'acqua e all'umidità con un'ottima resistenza chimica. Applicazioni consigliate Incollaggio di pannelli compositi o di plastica su telai metallici Incollaggio di compositi tra di loro Gli adesivi poliuretanici per compositi multimateriale 3M™ Scotch-Weld™ DP6330NS possono sostituire i rivetti e le viti nel fissaggio di compositi ad altri substrati, fornendo una linea di incollaggio esteticamente più gradevole e resistente alla fatica. Inoltre aderisce bene alla maggior parte dei metalli senza richiedere l'applicazione del primer.



Rotolo adesivo 3M su sfondo nero

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GUIDA ALLA SCELTA DEL PRODOTTO

Quando si progettano giunti adesivi, è necessario tenere conto di quanto segue:

  • Evitare le sollecitazioni dovute alle diverse dilatazioni termiche
  • Evitare salti nello spessore dello strato adesivo
  • Utilizzo di adesivi a basso ritiro
  • Prevenzione di residui di adesivo in eccesso
  • Mantenere condizioni di indurimento costanti. Lo strato esterno non deve essere danneggiato a causa dell'eccessiva temperatura di indurimento.
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