MONDO ACCADEMICO

Materiali compositi, ecco le più recenti tecnologie AM

Quelle che impiegano fibre continue si prestano a diventare la metodologia di manifattura di compositi di prossima generazione

Prosegue la collaborazione tra Portale Compositi/Composites Portal e il DICAR delll'Università di Catania, che si concretizza nella cura di una nuova rubrica dedicata ai temi più attuali del settore dei compositi. Ecco il secondo intervento sulle più recenti tecnologie di Additive Manufacturing.

di GIANLUCA CICALA* e CLAUDIO TOSTO**

L’Additive Manufacturing (AM) è una realtà presente, ormai, in quasi tutti i settori: dall’aerospace all’automotive, dal consumer al biomedicale. In particolare, c’è una parte dell’universo AM che merita un’attenzione particolare: si tratta dei compositi AM.

Ciò che rende così peculiari questi materiali è certamente la loro lavorabilità e la variabilità delle proprietà meccaniche al variare dei tipi di rinforzi/matrici studiati.
Inoltre, i materiali a disposizione di tale tecnologia permettono di stampare non solo strutture leggere ma anche estremamente resistenti.

In questo articolo analizzeremo le più recenti applicazioni, nonché la nuova generazione di tecnologie AM per la produzione di compositi con fibra continua.

Diverse sono le tecniche AM per la stampa di materiali compositi: Fused Filament Fabrication (FFF), Liquid Deposition Modeling (LDM), Stereolithography (SLA), Laminated Object Manufacturing (LOM), Composite-Based Additive Manufacturing (CBAM) e Selective Laser Sintering (SLS).

Sicuramente la tecnica più diffusa e relativamente semplice è la FFF.

In particolare, il materiale che vede il più largo utilizzo è il filamento CF PA-12 (matrice poliammide 12 caricata con fibre di carbonio).

Tale materiale consente la stampa di componenti altamente resistenti e caratterizzati da alti valori di rigidezza e resistenza allo strappo.

Un’applicazione vincente di FFF (o in questo caso FDM) per compositi è quella realizzata nel 2017 dal team F1 McLaren’s, il quale ha utilizzato una stampante Stratasys per la produzione di parti pronte all’uso per MCL32.

Ebbene sì, sulla macchina da corsa MCL32 sono stati introdotti pezzi direttamente stampati con una Fortus 450mc con Nylon caricato carbonio: è il caso di un braccetto per il collegamento della linea idraulica. Tale soluzione ha permesso di produrre il componente in appena 4 ore, mentre il tempo di fornitura mediante manifattura tradizionale si aggirava attorno alle 2 settimane.

Non solo, la tecnologia FDM è stata utilizzata come tooling per agevolare il processo di manifattura dei compositi. Infatti, è stata realizzata una larga wing flap in composito fibro-rinforzato mediante l’uso di un tool di lay-up da FDM.

Infine, come abbiamo già parlato in altri articoli, il team F1 si è avvalso di tool sacrificali (attraverso l’uso di materiali solubili) per la creazione di condotti di areazione cavi in composito.

“Se siamo in grado di apportare nuovi sviluppi all'auto in una gara prima” ha dichiarato Neil Oatley, direttore del design e dello sviluppo, McLaren Racing “passando da una nuova idea a una nuova parte in pochi giorni - questo sarà un fattore chiave per rendere la MCL32 più competitiva. Espandendo l'uso della stampa 3D Stratasys nella nostra produzione, i processi, compresa la produzione di componenti finali per auto, strumenti per il lay-up e sacrificali, taglio di maschere e altro, stiamo riducendo i nostri tempi di consegna aumentando la complessità del pezzo ”.

Finora abbiamo visto le applicazioni della stampa 3D FFF/FDM, la quale richiede una continua ricerca e sviluppo per il miglioramento delle parti stampate.

Infatti, se da un lato si possa ritenere un processo accessibile e relativamente semplice, FFF è limitato da diversi fattori, tra cui porosità e inclusione di vuoti. La presenza di vuoti, in particolare, porta alla delaminazione della parte e alla riduzione della resistenza a trazione.

Inoltre, occorre tenere in considerazione l’elevata anisotropia intrinseca delle parti stampate.

Infatti, le fibre tendono ad allinearsi lungo la direzione di deposizione del filamento, con un conseguente rinforzo più marcato lungo la direzione di estrusione.

Da qui la necessità di processi AM innovativi volti allo sviluppo di materiali, porosità, allineamento e omogeneità delle fibre, legame interlaminare e interfaccia fibra-matrice.
Ma la vera svolta consiste nell’andare a superare il grande limite dell’AM per compositi: la bassa produttività.

In questa direzione stanno facendo grandi passi avanti le tecniche di produzione che sincronizzano una serie di robot per la creazione di processi più veloci. Si tratta di andare ad integrare le classiche teste di estrusione con robot multiassi in modo da espandere produzione in scala fornendo un ulteriore grado di libertà per la stampa FRPC.

Ne è un esempio il processo messo a punto da Arevo (Milpitas, Calif., U.S.), il quale consiste in una piattaforma Robot-based AM (RAMP) per la produzione 3D di parti composite. Tra le applicazioni di Arevo si annoverano: una eBIKE monoscocca customizzabile, racchette da tennis, putter da golf, scocche di droni etc.

Un’altra interessante applicazione per la larga produzione FRPC vede la combinazione dei processi Inkjet e LOM con cutter ad ultrasuoni: il cosiddetto Selective Lamination Composite Object Manufacturing (SLCOM).
Si cita l’esempio di Envisiontec (Dearborn, Mich., U.S.), la quale con la stampante industriale SLCOM 1 con un volume di stampa 762 x 610 x 610 mm3 può realizzare parti per usi in aerospace, automotive, sporting ecc.

Envisiontec realizza piccoli e grandi componenti compositi utilizzando materiali fibrorinforzati (i tradizionali prepreg in fibre di Kevlar, carbonio e vetro) i quali sono impregnati con una matrice termoplastica e successivamente fusi assieme e tagliati.
Un altro processo per compositi LOM è rappresentato da Impossible Objects (https://www.impossible-objects.com/), il quale utilizz un sistema Inkjet per il bonding e la produzione di parti composite.

In questo processo, chiamato CBAM (Composite-Based Additive Manufacturing), lamine consecutive di fibre lunghe di carbonio o vetro vengono impacchettate e fuse insieme, avvalendosi di un agente di binding (polvere di polimero), e compattate durante il riscaldamento. Il bonding è localmente regolato dalla deposizione di un liquido mediante la stampa Inkjet.

Alti volumi produttivi, stampa a basso costo, parti più forti, più rigide e più leggere con una maggiore precisione e un maggiore controllo qualità caratterizzano il goal dei processi appena descritti.

Sotto questo punto di vista le tecniche AM che impiegano fibre continue si prestano a diventare la metodologia di manifattura di compositi di prossima generazione.

*   Professore di Scienza e tecnologia dei materiali (Università di Catania)
** Dottorando Laboratorio Polimeri e Compositi (University of Catania)

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