Come produrre parti in fibra di carbonio

I materiali compositi come la plastica rinforzata con fibra di carbonio sono materiali altamente versatili ed efficienti, fondamentali per l’innovazione in diversi mercati, dal settore aerospaziale a quello sanitario. Hanno prestazioni superiori rispetto a materiali tradizionali come acciaio, alluminio, legno o plastica e consentono la fabbricazione di prodotti leggerissimi ma dalle prestazioni elevate.

In questa guida scoprirai le nozioni di base per la produzione di parti in fibra di carbonio, tra cui i diversi metodi di lay-up, laminazione e stampaggio, e come ridurre i costi e risparmiare tempo grazie alla stampa 3D di stampi in fibra di carbonio.

Un materiale composito è la combinazione di due o più costituenti e ha caratteristiche diverse da quelle dei suoi componenti presi singolarmente. Proprietà dei materiali quali resistenza, efficienza e tenuta risultano incrementate. I compositi sono fatti di un materiale di rinforzo

I polimeri di fibra rinforzata (FRP) dominano il mercato e hanno dato una spinta importante all’introduzione di nuove applicazioni in svariati settori. La fibra di carbonio è uno dei compositi più in uso, soprattutto per la realizzazione di velivoli, auto da corsa e biciclette. Questo perché è quasi quattro volte più resistente e rigida dell’alluminio, nonché il 40% più leggera. È composta da fibra di carbonio rinforzata unita a una resina epossidica.

Le fibre possono essere uni-direzionali e strategicamente allineate per creare forza relativa ad un solo vettore, oppure incrociate, in modo da generare forza in più vettori e donare alle superfici l’aspetto reticolato tipico delle parti in materiali compositi. Spesso le parti vengono prodotte usando una combinazione di questi due metodi. Sono disponibili svariati tipi di fibra:

La resina è usata per tenere assieme le fibre e creare un composito rigido. Esistono centinaia di tipi di resine adatte allo scopo; tuttavia, le più usate sono le seguenti:

La produzione di polimeri rinforzati con fibre come le parti in fibra di carbonio è un processo che richiede grande abilità e molta manodopera ed è utilizzato sia nella produzione una tantum che in lotti. I tempi di ciclo variano da un’ora a 150 ore a seconda delle dimensioni e della complessità della parte da realizzare. Nella produzione FRP, solitamente le fibre continue sono unite all’interno della matrice per formare singoli strati, i quali vengono poi laminati uno per uno sulla parte finale.

Le caratteristiche finali del composito sono dovute sia ai materiali impiegati che al processo di laminazione in quanto il modo in cui le fibre vengono incorporate influenza profondamente le prestazioni della parte. La formatura delle resine termoindurenti e del relativo rinforzo viene effettuata all’interno di uno strumento o di uno stampo. Quindi i materiali vengono polimerizzati in modo da formare un prodotto robusto. Esistono svariate tecniche di laminazione, che si possono raggruppare in tre tipi principali:

Nella laminazione a umido (wet lay-up), la fibra viene tagliata e stesa all’interno dello stampo, quindi si applica la resina con un pennello, un rullo o una pistola a spruzzo. Questo metodo richiede competenze molto specifiche per creare parti di alta qualità, ma è anche il workflow meno costoso e con meno requisiti per iniziare a realizzare parti in fibra di carbonio fai-da-te. Se non hai alcuna esperienza nella produzione di parti in fibra di carbonio e non hai a disposizione le attrezzature necessarie, ti consigliamo di iniziare con la laminazione manuale a umido.

Guarda il video per vedere come funziona il wet lay-up per la laminazione di parti in fibra di carbonio.

Nel processo di laminazione pre-preg, la fibra viene precedentemente impregnata di resina. I fogli di fibra pre-impregnata vengono conservati al freddo per impedirne la polimerizzazione prematura. Gli strati vengono quindi polimerizzati all’interno dello stampo per mezzo di calore e pressione in autoclave. Questo procedimento garantisce maggiore precisione e ripetibilità, poiché la quantità di resina è misurata, ma è anche la tecnica più costosa, normalmente impiegata per applicazioni ad alte prestazioni.

Nel processo di stampaggio RTM, la fibra asciutta viene inserita in uno stampo in due parti. Lo stampo viene chiuso e all’interno viene iniettata resina ad alta pressione. È un processo solitamente automatizzato e impiegato per la produzione su larga scala.

La qualità dello stampo influisce direttamente su quella della parte finale, per questo la produzione degli strumenti per lo stampaggio è di fondamentale importanza. La quasi totalità degli stampi è in cera, schiuma poliuretanica, legno, plastica o metallo e viene realizzata a mano o mediante lavorazione meccanica CNC. Se da un lato le tecniche manuali sono molto impegnative, è anche vero che il workflow per la lavorazione meccanica CNC è molto lungo e complesso, specialmente in caso di parti con geometrie intricate, e l’esternalizzazione in genera provoca un incremento di costi e tempi di realizzazione. Entrambe le opzioni richiedono operatori qualificati e non offrono grande flessibilità per quanto riguarda le iterazioni del design e la possibilità di modificare lo stampo.

La produzione additiva offre una soluzione per realizzare stampi e modelli a basso costo per la produzione di parti in fibra di carbonio. L’uso di attrezzature realizzate in materiali polimerici all’interno del processo di fabbricazione è in continua crescita. Rimpiazzare le attrezzature di metallo con parti in plastica stampate in-house è una scelta strategica efficace e a basso costo, che riduce i tempi di produzione e aumenta la flessibilità nel design. Molti ingegneri usano parti in resine polimeriche stampate in 3D per produrre dime e fissaggi a supporto di metodi quali la filatura o il posizionamento automatico delle fibre. Inoltre, stampi e monconi stampati in piccola quantità sono talvolta impiegati nello stampaggio a iniezione, nella termoformatura o nella formatura della lamiera per la produzione di quantità non elevate. 

La stampa 3D in-house con una stampante desktop richiede un’attrezzatura limitata e riduce la complessità del workflow. Le stampanti desktop professionali come la Form 3 hanno prezzi accessibili, sono facili da implementare e scalabili, il che ti permette di incrementare la produttività in parallelo alla domanda. La produzione di attrezzature e stampi di grandi dimensioni è inoltre resa possibile da stampanti 3D di grandi dimensioni, quali la Form 3L.

Con la tecnologia di stampa 3D stereolitografica (SLA) si ottiene una finitura superficiale liscia, che costituisce un aspetto essenziale nella realizzazione di stampi in fibra di carbonio per il lay-up. in quanto permette di riprodurre geometrie complesse con la massima precisione. Inoltre, il catalogo delle resine Formlabs include materiali ingegneristici con proprietà meccaniche e termiche che si prestano perfettamente alla produzione di stampi e modelli.

Gli stampi realizzati in 3D per la produzione di parti in fibra di carbonio consentono di ridurre i costi e i tempi di produzione.

Per produzioni limitate, gli ingegneri possono realizzare direttamente lo stampo a basso costo e nel giro di poche ore, senza doverlo modellare a mano o servirsi di macchinari CNC o di software CAM, senza dover assemblare macchinari, dispositivi di bloccaggio, attrezzature varie o preoccuparsi dell’eliminazione del materiale di scarto. La manodopera e il tempo necessari per produrre lo stampo vengono ridotti significativamente, il che permette di eseguire iterazioni rapide del design e di personalizzare le parti prodotte. Si possono inoltre realizzare stampi di forme complesse ed estremamente dettagliati, che sarebbero difficili da produrre con i metodi tradizionali.

Il Formula Student Team di TU Berlin (FaSTTUBe) ha prodotto così una dozzina di parti in fibra di carbonio per autovetture da corsa. Gli ingegneri del team hanno svolto la laminazione a mano utilizzando uno stampo realizzato con la Tough 1500 Resin di Formlabs. Si tratta di una resina caratterizzata da un modulo di elasticità di 1,5 GPa e un allungamento a rottura del 51%. Non solo è abbastanza robusta da fornire un adeguato supporto durante il processo di lay-up, ma è anche abbastanza flessibile da consentire la separazione della parte dallo stampo dopo la polimerizzazione.

Questa tecnica non necessita di condizioni di polimerizzazione particolarmente impegnative, ma altri processi di laminazione spesso richiedono alti livelli di pressione e alte temperature. L’azienda DeltaWing Manufacturing utilizza la High Temp Resin per il processo di laminazione pre-preg volto alla realizzazione di condotti d’areazione. La High Temp Resin ha una temperatura di distorsione termica di 238 °C a 0,45 MPa e può sopportare il calore e la pressione di un autoclave. DeltaWing Manufacturing ha realizzato in-house lo stampo per produrre una serie di circa dieci parti personalizzate.

Gli stampi in polimeri realizzati in-house tramite stampa 3D sono strumenti perfetti per ottimizzare la produzione con volumi ridotti. Tuttavia, la loro vita utile è inferiore a quella degli stampi tradizionali e questo li rende inadatti alla produzione su larga scala.

Per aumentare la produzione, DeltaWing Manufacturing stampa modelli degli stampi con la High Temp Resin e successivamente effettua una colata in resina. Stampare i modelli è un’alternativa efficace per i processi di laminazione che richiedono condizioni di polimerizzazione impegnative che non sono sostenibili per gli stampi realizzati in 3D. I produttori possono stampare modelli personalizzati su richiesta ed eliminare la fase di fabbricazione dei modelli dal processo di produzione degli stampi.

La produzione con polimeri di fibra rinforzata è un processo entusiasmante, ma complesso e impegnativo. L’uso di stampi e modelli realizzati in 3D per la produzione di stampi in fibra di carbonio permette di ridurre la complessità del workflow, migliorare la flessibilità e la libertà di progettazione, nonché ridurre i costi e i tempi di realizzazione.

Servendosi dei casi studio di TU Berlin e DeltaWing Manufacturing, il nostro whitepaper presenta tre workflow per l’utilizzo della stampa 3D per la realizzazione rapida di stampi e modelli nell’ambito della produzione in materiali compositi.