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Nov 30, 2023

La tecnologia di posizionamento personalizzato delle fibre sta rendendo la fibra di carbonio un’opzione più praticabile

Advances in tailored fibre placement technology are making carbon fibre a more

I progressi nella tecnologia di posizionamento delle fibre su misura stanno rendendo la fibra di carbonio un’opzione tradizionale più praticabile. Più economiche, più resistenti e molto più adattabili, le possibilità di produzione sono vaste, come spiega Richard Harrington

Aggiungere "leggerezza" è un metodo efficace per aumentare l'efficienza e migliorare le prestazioni. I compositi sono stati una scelta alla moda per ottenere risultati di alleggerimento, ma i recenti perfezionamenti al processo di posizionamento delle fibre su misura (TFP) ampliano ulteriormente i tradizionali vantaggi offerti dall’uso della fibra di carbonio, inclusa una maggiore resistenza. La moderna TFP riduce inoltre i costi e rende il composito adatto ad applicazioni più ampie.

"Al di là di una manciata di applicazioni a basso volume, l'industria automobilistica ha scoperto che la produttività relativamente bassa, gli alti costi, lo spreco di materiale e i processi di produzione ad alta intensità di manodopera sono stati proibitivi per l'adozione su larga scala della fibra di carbonio come materiale per grandi o complessi componenti", spiega Julius Sobizack, amministratore delegato diZSK , il produttore tedesco di macchine da ricamo responsabile degli innovativi perfezionamenti apportati al processo TFP. "La TFP esiste dagli anni '90, ma solo ora i suoi benefici vengono sfruttati attraverso i progressi nel modo in cui i materiali vengono posati e nella comprensione delle loro complesse proprietà."

In sostanza, la TFP aumenta il livello di automazione associato alla produzione di polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CRFP), riducendo allo stesso tempo drasticamente gli sprechi di materiale. Sebbene la TFP fosse inizialmente un’opzione interessante, inizialmente non riuscì a garantire i livelli di produttività necessari per diventare una tecnica tradizionale. Gli aggiornamenti al processo promettono di risolvere queste preoccupazioni e l’adozione sta già diventando sempre più diffusa tra i produttori di aerospaziale, difesa, medicina, energia pulita, abbigliamento intelligente e attrezzature sportive.

La TFP offre una libertà praticamente illimitata in termini di applicazioni e rende tangibili i vantaggi dei compositi. Ad esempio, il CRFP può essere 10 volte più resistente dell’acciaio pur pesando un quinto. Ciò si traduce in importanti risparmi economici per il settore automobilistico e aerospaziale, in particolare. "Studi indipendenti dimostrano che una riduzione del peso del 10% può comportare un miglioramento del 6-8% nel risparmio di carburante", spiega Sobizack. "I risparmi sono più marcati nel settore aerospaziale, dove secondo un importante operatore aereo, ogni chilo prelevato dalla sua flotta di aerei fa risparmiare all'azienda 20.000 dollari all'anno. Naturalmente, questi vantaggi sono perfettamente allineati con l'esigenza di ridurre sempre più le emissioni. "

Uno degli svantaggi più evidenti della fibra di carbonio è il costo. Utilizzando le tecniche di produzione tradizionali, i componenti possono costare 20 volte quello di una parte equivalente in acciaio. Inoltre, non è adatto a forme complesse o portanti: le proprietà fisiche delle fibre di carbonio sono immensamente forti solo quando vengono applicate forze lungo la loro lunghezza. Per questo motivo, gli strati di fibra di carbonio vengono applicati ad angoli diversi per aumentare la resistenza di un componente in più direzioni, il che è impegnativo per le forme complesse ed è estremamente laborioso. Ogni strato è tagliato da fogli di fibra di carbonio, che sono spesso pre-impregnati con la resina matrice (il cosiddetto "prepreg"), portando a un elevato spreco di un materiale costoso, in alcuni casi tassi fino al 60%. La TFP affronta direttamente queste preoccupazioni.

TFP utilizza tecniche basate sul ricamo per produrre materiali compositi. A differenza dei tradizionali metodi di costruzione del laminato, TFP inizia con il materiale di rinforzo nella sua forma più resistente e generalmente più economica: le fibre secche. Senza strati da preparare prima di creare la preforma, la fase di taglio è completamente eliminata. Disponendo le fibre in posizione e cucendole periodicamente allo strato di base, i materiali di scarto vengono ridotti nella misura in cui il tasso di scarto del materiale su una parte TFP è dell'1 o 2%.

"Uno dei principali vantaggi di TFP è che le singole fibre possono essere posizionate esattamente come richiesto, senza la necessità di strati multipli, offrendo ai progettisti una libertà quasi illimitata di ottimizzare una struttura in base alle forze che agiscono su di essa", osserva Melanie Hoerr, tecnico di ZSK responsabile del ricamo. "Il suo livello di automazione rende la TFP completamente ripetibile, riducendo al minimo le variazioni di dimensione, densità o posizione delle fibre ed eliminando l'errore umano, garantendo prestazioni strutturali costanti.