Processi di Produzione

Abbiamo visto precedentemente come, parlando di materiali compositi, ci siano diverse opzioni come scelta di resine, fibre e core, ognuna con le sue proprietà di resistenza, rigidità, per non parlare di resistenza al calore, costi, ecc.. Comunque, le proprietà finali di un prodotto in composito non dipendono solamente dalle proprietà dei singoli materiali utilizzati, ma è anche funzione del tipo di processo utilizzato per la produzione, oltre che del disegno progettuale in sé.
Ci proponiamo pertanto di analizzare e mettere a confronto alcuni metodi di produzione largamente utilizzati nella produzione di imbarcazioni in materiale composito.WET LAY-UP O LAMINAZIONE MANUALE
È il metodo di produzione più vecchio e semplice da insegnare. Le fibre secche, che possono essere di diversi tipi dal vetro al carbonio, sotto forma di unidirezionale, tessuto o multiassiale, sono disposte in/su uno stampo precedentemente trattato con un agente distaccante ed impregnate a mano con la resina (epossidica, vinilestere o poliestere). Questo procedimento è generalmente svolto utilizzando rulli e spatole per forzare la resina tra i tessuti. Successivamente il laminato viene lasciato catalizzare a temperatura ambiente. Se lo spessore da laminare è elevato la laminazione può essere svolta in più riprese per essere sicuri che le fibre siano ben bagnate dalla resina.
Sull’ultimo strato è generalmente laminato uno strato di peel-ply, ovvero un film che ha proprietà distaccanti ed ha la funzione di assorbire parte della resina in eccesso, garantire una migliore finitura superficiale e proteggere la superficie da contaminazioni nel caso in cui il prodotto sia lasciato catalizzare in ambienti poco puliti.
Lo stampo viene detto femmina se le fibre sono disposte all’interno di esso, maschio se vengono disposte su di esse; ovvero, nel caso della laminazione di uno scafo di un’imbarcazione, la superficie a contatto dello stampo sarà la superficie interna nel caso di stampo maschio, la superficie esterna nel caso di stampo femmina. Considerando che la superficie a contatto dello stampo ha generalmente una finitura decisamente più liscia dell’altra, si deduce che per raggiungere lo stesso livello di finitura un’imbarcazione prodotta in stampo maschio necessiterà di un maggior numero di ore di lavoro che usando uno stampo femmina.
Con questo tipo di processo si può laminare anche una struttura di tipo sandwich, generalmente in schiuma di PVC o balsa.
I vantaggi offerti da questo metodo di produzione sono l’alta versatilità e i bassi costi di impianto (è sufficiente un operatore addestrato fornito di pochi strumenti); tra gli svantaggi menzioniamo
– la variabilità e non riproducibilità del risultato, in quanto la qualità del prodotto dipenderà dall’abilità dell’operatore, dalle condizioni atmosferiche e di lavoro,
– inoltre le proprietà meccaniche sono generalmente più basse rispetto ad altri metodi di produzione in quanto il contenuto di resina è generalmente più alto e possono rimanere intrappolate tra gli strati bolle di aria,
– precisione le proprietà meccaniche del prodotto in quanto il contenuto di resina e fibre è piuttosto variabile e dipende dagli stessi fattori descritti al punto primo
– in ultimo bisogna considerare la nocività dei materiali per l’operatore che li utilizza.
Questo metodo è largamente utilizzato nella produzione di imbarcazione a motore e a vela da crociera.

LAMINAZIONE MANUALE CON SACCO DEL VUOTO
Si tratta di un’estensione del processo di laminazione manuale descritto precedentemente, in cui una volta bagnate le fibre con la resina viene applicata una pressione sul laminato in modo da migliorarne il consolidamento. Ciò viene effettuato applicando un film di plastica (“sacco del vuoto”) sul laminato ed estraendo l’aria intrappolata con una pompa. Il sacco aderirà quindi alle superfici del pezzo applicando una pressione, di valore massimo pari ad una atmosfera, su di esse.
Questo metodo permette di avere un più basso contenuto di vuoti ed una più alta percentuale di fibra raggiungendo quindi più alte proprietà meccaniche della struttura, a discapito ovviamente dei costi in quanto si tratta di materiale non riutilizzabile e necessita un livello di abilità degli operatori maggiore.

PRE-PREG
Si utilizzano tessuti e fibre già impregnati di resina dal produttore di materiale; il materiale così costituito viene comunemente chiamato “preimpregnato”.
La resina si trova in uno stato metastabile per cui a temperatura ambiente il processo di catalisi è rallentato e a temperatura ambiente la resina si presenta quasi solida e appiccicosa. Quest’ultima proprietà facilità l’applicazione degli strati che vengono disposti secondo il piano di laminazione rimangono in posizione come delle figurine. Successivamente si applica uno strato di peel-ply e il sacco del vuoto. Il prodotto viene riscaldato in forno fino a 80°-120°C. Durante il riscaldamento la resina si fluidifica facilitando la fuoriuscita delle bolle di aria e successivamente indurisce grazie al processo di catalisi.
Rispetto ai metodi visti precedentemente i preimpregnati hanno il vantaggio di un costante contenuto di resina e catalizzatore, raggiungendo più alti contenuti di fibra in proporzione alla resina. Il maggiore svantaggio è il costo in quanto non solo il materiale stesso è più caro, ma il cantiere che utilizza questi materiali deve dotarsi di un forno che arrivi a 80°-120°C e possa contenere tutto il prodotto. Un notevole sforzo economico per cantieri che producono imbarcazioni…
Per questo i preimpregnati sono utilizzati nella costruzione di imbarcazioni a vela da regata o per gli off-shore.

INFUSIONE
Si tratta di un processo di costruzione adatto alla produzione industriale. Le fibre secche vengono disposte nello stampo tramite operatori oppure in modo automatico. Sull’ultimo strato vengono applicati uno strato di peel-ply e un film analogo al sacco del vuoto a cui sono collegati, oltre alla pompa del vuoto, i condotti che regolano l’afflusso di resina. Viene quindi in primo luogo azionata la pompa del vuoto e, una volta assestati gli strati, la resina viene lasciata fluire all’interno del laminato. La chiave di questo metodo è l’ottimizzazione del flusso di resina, in modo che essa bagni a sufficienza tutto il laminato, senza lasciare aree secche. Questo viene raggiunto grazie alla simulazione numerica della fluidodinamica del processo e test pratici.
La resina utilizzata è generalmente vinilestere, ma si possono utilizzare anche resine epossidiche o poliesteri, purchè caratterizzate da una bassa viscosità. Come rinforzo si può utilizzare qualsiasi tipologia di fibra, mentre per i core bisogna escludere gli “honeycomb” (nomex e nido d’ape di alluminio).
Una volta ottimizzato il processo produttivo, l’infusione garantisce la riproducibilità del prodotto e quindi un livello qualitativo del prodotto omogeneo; ovviamente ha dei costi di impianto che la rendono vantaggiosa per la costruzione di prodotti in serie, non per gli “one-off”.

SPRINT®
Lo SPRINT è un materiale che consiste di uno strato di fibra (vetro o carbonio ed aramidico) con accoppiato un film di resina epossidica pre-catalizzata. Il processo di produzione di tale materiale differisce dal convenzionale pre-preg, infatti prima del ciclo in forno; le fibre rimangono secche e non impregnate dalla resina.
Lo SPRINT viene disposto in uno stampo, applicando il sacco del vuoto, come per i preimpregnati. Tuttavia, quando viene applicato il vuoto tramite la pompa, gli strati secchi di fibra permettono un miglior deflusso dell’aria intrappolata tra gli strati; dopodiché il laminato viene riscaldato per innescare il processo di catalisi e il film di resina diventa fluido, bagnando gli strati di fibra da cui è stata precedentemente estratta l’aria.