Negli ultimi anni, sia a livello nazionale che internazionale, sono emerse nuove tecnologie di stampaggio per prodotti compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio. Queste tecnologie includono il posizionamento automatico delle fibre, lo stampaggio a consolidamento rapido a ultrasuoni, lo stampaggio a consolidamento laser, la polimerizzazione con fascio di elettroni, lo stampaggio assistito dal vuoto e la stampa 3D. Nonostante l’elevata efficienza, il basso costo, il basso consumo energetico e l’elevato grado di automazione offerti da queste nuove tecnologie di stampaggio, i metodi tradizionali svolgono ancora un ruolo significativo a causa delle attuali limitazioni tecnologiche nelle applicazioni della fibra di carbonio.

Le resine termoplastiche come PEEK, PI e PPS mostrano una forte resistenza alla corrosione, tolleranza ai danni, resistenza agli urti e tenacità alla frattura. Inoltre si ammorbidiscono e si sciolgono con il riscaldamento, consentendo un uso ripetuto. Se combinati con fibra di carbonio ad alta resistenza, questi compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio sono diventati rapidamente popolari nelle applicazioni aerospaziali, militari e civili di fascia alta. Nel corso del tempo sono stati sviluppati vari processi di stampaggio per applicazioni in fibra di carbonio. Saxobran Nuovo materialeCo., Ltd, è specializzata nella produzione di prodotti compositi in fibra di carbonio e ha confrontato i vantaggi e gli svantaggi di diversi metodi di stampaggio maturi e ampiamente utilizzati.

Processo di stampaggio in autoclave

Lo stampaggio in autoclave utilizza gas compresso ad alta temperatura nell'autoclave per riscaldare e pressurizzare i preimpregnati già posati, polimerizzandoli e dandogli la forma desiderata. Questo metodo è ampiamente utilizzato per lo stampaggio integrale di materiali compositi a base di resina e riveste un'importanza significativa nella produzione industriale. Ad esempio, l'80% delle parti strutturali composite termoplastiche rinforzate con fibra di carbonio utilizzate nella fusoliera, nel timone, negli elevatori, nei rivestimenti delle ali e nelle pinne caudali degli aerei sono fabbricati mediante stampaggio in autoclave.

Durante il processo di stampaggio in autoclave, il preimpregnato viene sigillato in un sacchetto sottovuoto all'interno dello stampo, garantendo una pressione uniforme dell'aria compressa in tutte le direzioni. Il flusso di aria compressa ad alta velocità all'interno dell'autoclave garantisce un riscaldamento uniforme sia durante la fase di riscaldamento che di raffreddamento. Inoltre, la pressione e la temperatura stabili all'interno dell'autoclave determinano una bassa porosità e una distribuzione uniforme delle fibre nei prodotti compositi. Pertanto, i prodotti termoplastici rinforzati con fibra di carbonio stampati in autoclave presentano una distribuzione uniforme di pressione/calore e una qualità stabile, rendendo questo metodo adatto alla produzione di parti strutturali grandi e complesse. Tuttavia, gli svantaggi includono apparecchiature ingombranti e complesse, elevato consumo energetico, notevoli costi di investimento e produzione e bassa efficienza.

Processo di stampaggio a compressione

Lo stampaggio a compressione prevede diverse fasi come la plastificazione del materiale, il flusso per riempire la cavità dello stampo e l'indurimento della resina. Durante il flusso del materiale di stampaggio composito termoplastico rinforzato con fibra di carbonio nella cavità dello stampo, sia la resina termoplastica che la fibra di carbonio ad alta resistenza di rinforzo devono fluire, determinando una pressione di stampaggio più elevata rispetto ad altri metodi. Questo processo richiede una pressa idraulica in grado di controllare la pressione e stampi metallici ad alta resistenza, alta precisione e resistenti alle alte temperature. Wuxi Zhishang New Material utilizza generalmente metodi di stampaggio in autoclave e a compressione per la produzione di prodotti compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio.

I prodotti termoplastici rinforzati con fibra di carbonio stampati a compressione presentano un basso stress interno, una deformazione minima, superfici lisce, elevata precisione dimensionale, proprietà meccaniche stabili, basso ritiro e buona ripetibilità. Questo metodo è adatto per lo stampaggio di prodotti piatti di grandi dimensioni con un'elevata efficienza produttiva e la capacità di stampare strutture complesse in una sola volta, facilitando la produzione di massa, la specializzazione e l'automazione. Tuttavia, la complessità e i costi elevati della produzione degli stampi, i lunghi cicli di stampaggio e le difficoltà nel raggiungere il riempimento completo dello stampo rappresentano notevoli svantaggi nelle applicazioni in fibra di carbonio.

Processo di avvolgimento del filamento

L'avvolgimento del filamento prevede il preriscaldamento di fibre di carbonio continue ad alta resistenza impregnate di resina e l'avvolgimento su un mandrino. Il riscaldamento continuo e l'applicazione di pressione consolidano il preimpregnato in una struttura unificata, formando strato dopo strato il componente desiderato. Fattori quali la temperatura di riscaldamento, il metodo di avvolgimento, lo spazio di estrusione, la temperatura della resina e la tensione di avvolgimento delle fibre influiscono direttamente sulla qualità del prodotto.

Rispetto al processo in autoclave, l’avvolgimento del filamento è più favorevole alla produzione meccanizzata e consente regolazioni nelle prestazioni di resistenza della fibra di carbonio alterando i modelli di avvolgimento. Tuttavia, a causa dell’incapacità delle fibre di carbonio di aderire saldamente alla superficie del mandrino durante l’avvolgimento, questo metodo non è adatto per la produzione di parti con superfici concave o convesse.

Processo di pultrusione

La pultrusione prevede l'impregnazione delle fibre di carbonio ad alta resistenza nella resina e il loro passaggio attraverso uno stampo dove vengono modellate e polimerizzate sotto pressione, formando lunghezze continue di prodotti compositi. Questo processo è adatto alla produzione di componenti continui e a sezione costante, ovvero può produrre solo profili lineari e non parti strutturali di forma complessa. Inoltre, a causa delle proprietà anisotrope dei prodotti, la loro resistenza trasversale è limitata, presentando vincoli applicativi nei prodotti rinforzati con fibra di carbonio.

Per la produzione su larga scala di prodotti termoplastici lineari rinforzati con fibra di carbonio, questo processo offre elevata automazione, basso consumo energetico, alto contenuto di fibra di carbonio, qualità del prodotto stabile e basso consumo di materie prime. È un metodo preferito per produrre tipi di prodotti specifici.

Tecnologie emergenti

Negli ultimi anni sono emerse a livello globale numerose nuove tecnologie di stampaggio per prodotti compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio. Questi includono il posizionamento automatico delle fibre, il consolidamento rapido ad ultrasuoni, il consolidamento laser, la polimerizzazione con fascio di elettroni, lo stampaggio assistito dal vuoto e la stampa 3D. Queste nuove tecnologie offrono alta efficienza, basso costo, basso consumo energetico e un elevato grado di automazione. Tuttavia, considerando l’attuale livello tecnologico in Cina, permane un divario significativo nella ricerca e nell’applicazione pratica rispetto ai paesi sviluppati. Per un periodo considerevole, i metodi di stampaggio tradizionali continueranno a essere essenziali per la produzione di parti strutturali in composito termoplastico rinforzato con fibra di carbonio e altri prodotti nelle applicazioni in fibra di carbonio.