ITMI20131800A1 - METHOD FOR THE REALIZATION OF COMPOSITE MATERIALS AND ITS APPLICATIONS FOR THE CONSTRUCTION OF MATERIALS AND COMPOSITE MATERIALS - Google Patents
METHOD FOR THE REALIZATION OF COMPOSITE MATERIALS AND ITS APPLICATIONS FOR THE CONSTRUCTION OF MATERIALS AND COMPOSITE MATERIALSInfo
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si colloca nel campo tecnico dei materiali compositi. In particolare, la presente invenzione si colloca nel campo tecnico dei materiali compositi a matrice termo plastica fibrorinforzati. In dettaglio, la presente invenzione è relativa ad un metodo per la realizzazione di materiali compositi a matrice termoplastica, nonché a sue applicazioni per la realizzazione di manufatti o componenti in materiale composito a matrice termoplastica fibrorinforzata. The present invention is located in the technical field of composite materials. In particular, the present invention is placed in the technical field of fiber-reinforced thermo-plastic matrix composite materials. In detail, the present invention relates to a method for manufacturing composite materials with a thermoplastic matrix, as well as its applications for manufacturing manufactured articles or components in composite material with a fiber-reinforced thermoplastic matrix.
STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE
Sono diversi i settori della tecnica nei quali, nel recente passato, hanno trovato sempre più applicazione i materiali compositi rigidi. Tra i settori più interessati all’utilizzo di questi materiali possono ad esempio essere citati il settore aeronautico e/o il settore automobilistico, nei quali si è sempre più diffusa la tendenza alTutilizzo dei materiali compositi rigidi in alternativa a o in sostituzione di materiali tradizionali quali metalli o leghe metalliche. I materiali compositi rigidi offrono infatti una alternativa valida in termini di rigidità, resistenza, tenacia e durata unite ad un peso molto più ridotto. There are several technical sectors in which, in the recent past, rigid composite materials have found more and more application. Among the sectors most interested in the use of these materials, for example, the aeronautical sector and / or the automotive sector can be mentioned, in which the trend towards the use of rigid composite materials as an alternative to or in substitution of traditional materials such as metals has become increasingly widespread. or metal alloys. In fact, rigid composite materials offer a valid alternative in terms of rigidity, strength, tenacity and durability combined with a much lower weight.
Tra i materiali compositi rigidi via via sperimentati ed utilizzati possono ad esempio essere citati i materiali compositi a matrice termo indurente. Among the rigid composite materials tested and used, for example, the composite materials with a thermosetting matrix can be mentioned.
Detti materiali però, pur rappresentando una alternativa valida ai materiali tradizionali, presentano diversi svantaggi e inconvenienti. Ad esempio, i materiali compositi a matrice termoindurente sono caratte rizzati da tenacità e resistenza allimpatto ridotte o comunque non ottimali, da una processabilità legata alla reazione di polimerizzazione della resina e dunque caratterizzata da criticità non tipiche dell’industria meccanica, nonché da limitata o nulla riciclabilità. In particolare, le esigenze di riciclabilità derivanti dalle ultime norme di salvaguardia ambientale hanno spesso indotto gli operatori e/o gli istituti di ricerca a orientarsi verso materiali alternativi. However, while these materials represent a valid alternative to traditional materials, they have various disadvantages and drawbacks. For example, composite materials with a thermosetting matrix are characterized by reduced or in any case not optimal toughness and impact resistance, by a processability linked to the polymerization reaction of the resin and therefore characterized by criticalities not typical of the mechanical industry, as well as limited or zero recyclability. In particular, the recyclability requirements deriving from the latest environmental protection regulations have often led operators and / or research institutes to move towards alternative materials.
Tra i materiali compositi di ultima generazione più sperimentati e utilizzati possono essere senz’altro citati i materiali compositi a matrice termoplastica fibro-rinforzati. Si tratta in particolare di materiali che vengono ottenuti partendo da un semi lavorato grezzo composto di una matrice termoplastica nella quale sono disperse delle fibre di rinforzo. Per quanto riguarda la matrice termoplastica, la stessa può ad esempio essere polipropilene (PP), poliammidi, poliesteri, polichetoni aromatici e simili. La fibra di rinforzo può ad esempio essere una fibra di vetro, di carbonio, una fibra aramidica, di basalto o una combinazione di una o più di queste fibre. La struttura e la composizione dei semi lavorati grezzi sono di per sé note, per cui se ne omette una descrizione dettagliata per ragioni di sintesi. Among the most tested and used latest generation composite materials, fiber-reinforced thermoplastic matrix composite materials can certainly be mentioned. In particular, these are materials that are obtained starting from a raw semi-finished product composed of a thermoplastic matrix in which reinforcing fibers are dispersed. As regards the thermoplastic matrix, it can for example be polypropylene (PP), polyamides, polyesters, aromatic polyketones and the like. The reinforcing fiber can for example be a fiberglass, carbon fiber, an aramid fiber, a basalt fiber or a combination of one or more of these fibers. The structure and composition of the raw processed seeds are known per se, therefore a detailed description is omitted for reasons of synthesis.
Il materiale grezzo (in inglese denominato semipreg o pseudoprepreg) viene prodotto e messo a disposizione, a seconda delle applicazioni, sotto forma di nastro o tessuto commingled. Ovviamente, il materiale composito rigido finale (o anche il manufatto finale) viene ottenuto sottoponendo il materiale grezzo di partenza ad opportuni trattamenti per ottenere l’impregnazione delle fibre di rinforzo. Si tratta in particolare di fondere o almeno rammollire la matrice termoplastica in modo che la fibra di rinforzo venga impregnata con il materiale fuso o rammollito. Infine, mediante raffreddamento si ottiene quindi l’indurimento della matrice termoplastica e quindi si conferiscono al materiale le caratteristiche desiderate di rigidità, resistenza (sia meccanica che agli attacchi chimici) resistenza al taglio eccetera. The raw material (in English called semipreg or pseudoprepreg) is produced and made available, depending on the applications, in the form of tape or commingled fabric. Obviously, the final rigid composite material (or even the final product) is obtained by subjecting the raw starting material to appropriate treatments to obtain the impregnation of the reinforcing fibers. In particular, it involves melting or at least softening the thermoplastic matrix so that the reinforcing fiber is impregnated with the molten or softened material. Finally, by cooling, the hardening of the thermoplastic matrix is then obtained and therefore the desired characteristics of rigidity, resistance (both mechanical and chemical attack), shear resistance and so on are given to the material.
Diversi sono i metodi sperimentati e utilizzati nello stato della tecnica per ottenere la desiderata impregnazione delle fibre, detti metodi essendo peraltro in diversi casi non completamente soddisfacenti in quanto caratterizzati da rese ridotte, costi elevati e ridotta riproducibilità e affidabilità. Various methods have been tested and used in the state of the art to obtain the desired impregnation of the fibers, said methods being however not completely satisfactory in several cases as they are characterized by low yields, high costs and reduced reproducibility and reliability.
I metodi finora utilizzati nello stato della tecnica prevedono infatti, la fusione della matrice termoplastica mediante una o più fonti di calore, alla quale devono seguire operazioni complicate cosiddette di “debulking”, necessarie per eliminare i vuoti e rimuovere l’aria residua. Le fonti di calore solitamente utilizzate comprendono ad esempio getti di aria calda o fiamme, che però, a fronte di costi accettabili, presentano una possibilità troppo limitata di controllare la temperatura all’interno di intervalli ristretti. In alternativa ai getti d’aria o alle fiamme sono state anche utilizzate in passato delle sorgenti laser, che consentono sì un controllo molto più preciso del processo, ma che generano costi spesso troppo elevati e quindi inaccettabili. The methods used so far in the state of the art in fact provide for the melting of the thermoplastic matrix by means of one or more heat sources, which must be followed by complicated so-called "debulking" operations, necessary to eliminate the voids and remove the residual air. The heat sources usually used include, for example, jets of hot air or flames, which however, in the face of acceptable costs, have too limited a possibility of controlling the temperature within narrow ranges. As an alternative to jets of air or flames, laser sources have also been used in the past, which allow a much more precise control of the process, but which generate costs that are often too high and therefore unacceptable.
Per le fasi di “debulking”, sono necessari dispositivi e/o apparecchiature solitamente ingombranti e costose per l’applicazione di vuoto e/o pressione allo scopo di rimuovere appunto, come anticipato precedentemente, i vuoti e l’aria residua. For the "debulking" phases, usually bulky and expensive devices and / or equipment are required for the application of vacuum and / or pressure in order to remove, as previously mentioned, the gaps and residual air.
Va inoltre notato che i metodi secondo l’arte nota sono decisamente poco versatili in relazione alle diverse applicazioni e in particolare alla possibilità di realizzare manufatti in composito a matrice termoplastica di dimensioni e forme diverse. Va infatti ricordato che i manufatti a base di materiali compositi (in particolare a matrice termoplastica fibro-rinforzata) variano da manufatti tubolari a manufatti sostanzialmente piani, o laminati a singola e doppia curvatura. Proprio in funzione delle diverse applicazioni, i procedimenti o metodi secondo l’arte nota si sono rivelati spesso troppo poco versatili, per cui per ogni applicazione si è resa necessaria la predisposizione di una apparecchiatura ad hoc e la messa in atto di un procedimento corrispondente. Si evince infatti, come ad esempio un rullo, necessario per Γ applicazione di pressione nei metodi dell<'>arte nota (allo scopo di eliminare vuoti e/o rimuovere Tana residua), possa trovare applicazione solo per la realizzazione di materiali piani, mentre per manufatti di forma diversa sono necessarie altre soluzioni. It should also be noted that the methods according to the known art are decidedly not very versatile in relation to the different applications and in particular to the possibility of making composite products with a thermoplastic matrix of different sizes and shapes. It should in fact be remembered that the manufactured articles based on composite materials (in particular with a fiber-reinforced thermoplastic matrix) vary from tubular products to substantially flat ones, or laminates with single and double curvature. Precisely depending on the different applications, the procedures or methods according to the known art have often proved to be too little versatile, so for each application it was necessary to prepare an ad hoc equipment and the implementation of a corresponding procedure. In fact, it is clear that, for example, a roller, necessary for the application of pressure in the methods of the prior art (in order to eliminate voids and / or remove residual Tana), can only be used for the production of flat materials, while for artifacts of different shapes other solutions are necessary.
SCOPO DELLA PRESENTE INVENZIONE PURPOSE OF THIS INVENTION
Lo scopo della presente invenzione è quindi quello di superare gli inconvenienti tipici dei metodi utilizzati nello stato della tecnica per la produzione di materiali compositi. The object of the present invention is therefore to overcome the typical drawbacks of the methods used in the state of the art for the production of composite materials.
In particolare, uno scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un metodo per la produzione di materiali compositi a matrice termoplastica fibro-rinforzata che sia caratterizzato da costi contenuti, semplicità e rapidità di esecuzione, elevata riproducibilità e controllabilità, nonché spiccata versatilità. In particular, an object of the present invention is to provide a method for the production of composite materials with a fiber-reinforced thermoplastic matrix which is characterized by low costs, simplicity and speed of execution, high reproducibility and controllability, as well as marked versatility.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di proporre un metodo del tipo precedentemente descritto che consenta la produzione di materiali compositi rigidi, in particolare a matrice termoplastica fibro-rinforzata, che siano caratterizzati da elevata qualità (assenza di vuoti e/o aria residua), rigidità, tenacia, resistenza meccanica e agli attacchi chimici, riciclabilità. A further object of the present invention is to propose a method of the type described above which allows the production of rigid composite materials, in particular with a fiber-reinforced thermoplastic matrix, which are characterized by high quality (absence of voids and / or residual air) , rigidity, tenacity, mechanical and chemical resistance, recyclability.
SOMMARIO DELLA PRESENTE INVENZIONE SUMMARY OF THE PRESENT INVENTION
La presente invenzione si basa sulla considerazione generale che gli scopi prefissati e riassunti precedentemente possono essere raggiunti in modo soddisfacente mediante un metodo per la produzione di materiali compositi a matrice termoplastica (eventualmente fibrorinforzata) che riunisca in una unica operazione le fasi di fusione o rammollimento della matrice e le fasi di impregnazione delle fibre di rinforzo e debulking, solitamente eseguite, secondo lo stato della tecnica nota, separatamente e secondo fasi successive. The present invention is based on the general consideration that the aims set and summarized above can be achieved satisfactorily by means of a method for the production of composite materials with a thermoplastic matrix (possibly fiber-reinforced) which combines in a single operation the melting or softening phases of the matrix and the steps of impregnating the reinforcing and debulking fibers, usually carried out, according to the state of the known art, separately and according to successive steps.
In sostanza, l'idea alla base della presente invenzione è quella di proporre un metodo che consenta la deposizione e il consolidamento in situ di nastri e/o tessuti a matrice termo plastica. Una ulteriore considerazione alla base della presente invenzione è quella secondo la quale notevoli vantaggi rispetto ai metodi tradizionali possono essere ottenuti mediante l’applicazione di energia ultrasonora allo scopo di fondere e/o rammollire la matrice termoplastica. Infatti, l’energia ultrasonora è facilmente controllabile e orientabile con precisione sulla parte da impregnare e consolidare. Mediante l’energia ultrasonora si genera un riscaldamento sufficiente a portare a fusione la matrice termoplastica sulle interfacce di deposizione, consentendo l'mpregnazione delle fibre di rinforzo (quando presenti nel substrato grezzo iniziale). Una ulteriore importante considerazione alla base della seguente invenzione è quella secondo la quale lo strumento o dispositivo utilizzato per la generazione dell’energia ultrasonora può essere utilizzato anche per esercitare una pressione sul nastro o tessuto da consolidare, mediante la quelle è possibile eliminare i vuoti nella matrice e realizzare un’ottima adesione fibra-matrice. In questo modo, si evita l’utilizzo di un rullo di compattazione che, come anticipato precedentemente, presenta diversi inconvenienti, specialmente in termini di scarsa versatilità. Infine l’applicazione di pressione tramite un sonotrodo vibrante ad alta frequenza riduce drasticamente i problemi di adesione con la matrice fusa. Basically, the idea behind the present invention is to propose a method that allows the deposition and consolidation in situ of tapes and / or fabrics with a thermo-plastic matrix. A further consideration underlying the present invention is that according to which considerable advantages over traditional methods can be obtained by applying ultrasound energy in order to melt and / or soften the thermoplastic matrix. In fact, the ultrasound energy is easily controlled and can be precisely oriented on the part to be impregnated and consolidated. By means of ultrasonic energy, sufficient heating is generated to melt the thermoplastic matrix on the deposition interfaces, allowing the impregnation of the reinforcing fibers (when present in the initial raw substrate). A further important consideration underlying the following invention is that according to which the instrument or device used for the generation of ultrasound energy can also be used to exert a pressure on the tape or fabric to be consolidated, by means of which it is possible to eliminate the gaps in the matrix and achieve excellent fiber-matrix adhesion. In this way, the use of a compacting roller is avoided which, as previously mentioned, has several drawbacks, especially in terms of poor versatility. Finally, the application of pressure through a high-frequency vibrating sonotrode drastically reduces the problems of adhesion with the molten matrix.
Infine, una ulteriore considerazione sulla quale si basa la presente invenzione è quella secondo la quale dimensionando opportunamente il dispositivo generatore di energia ultrasonora (ad esempio tipicamente dotato di un sonotrodo), nonché traslando o scansionando opportunamente il dispositivo (ad esempio mediante controllo dei parametri di scansione, quali ad esempio velocità, passo, eccetera) è possibile la realizzazione in sito di componenti in materiale composito di forma variabile a seconda delle esigenze e/o circostanze. Finally, a further consideration on which the present invention is based is that according to which by suitably sizing the ultrasound energy generating device (for example typically equipped with a sonotrode), as well as by suitably translating or scanning the device (for example by controlling the scanning, such as for example speed, pitch, etc.) it is possible to manufacture on site components in composite material of variable shape according to the needs and / or circumstances.
Sulla base delle considerazioni precedenti, la presente invenzione ha quindi per oggetto un metodo o procedimento per la produzione di materiali compositi a matrice termoplastica secondo la rivendicazione principale 1, vale a dire un metodo metodo per la produzione di un materiale composito consolidato mediante trattamento di un substrato grezzo che comprende una matrice termoplastica e fibre di rinforzo, detto metodo comprendendo il rammollimento e/o la fusione almeno parziale di detta matrice termoplastica e il consolidamento successivo di detta matrice termoplastica rammollita e/o almeno parzialmente fusa, in cui il rammollimento e/o la fusione almeno parziale di detta matrice termoplastica sono ottenuti mediante energia ultrasonora. On the basis of the preceding considerations, the present invention therefore relates to a method or process for the production of composite materials with a thermoplastic matrix according to main claim 1, that is to say a method method for the production of a composite material consolidated by treating a raw substrate comprising a thermoplastic matrix and reinforcing fibers, said method comprising at least partial softening and / or melting of said thermoplastic matrix and subsequent consolidation of said softened and / or at least partially melted thermoplastic matrix, wherein the softening and / or or the at least partial fusion of said thermoplastic matrix are obtained by means of ultrasonic energy.
Secondo una ulteriore forma di realizzazione detta energia ultrasonora è trasferita al composito per mezzo di un sonotrodo. According to a further embodiment, said ultrasonic energy is transferred to the composite by means of a sonotrode.
Secondo una ulteriore forma di realizzazione almeno una porzione di una superfìcie esterna di detto substrato grezzo viene scansionato mediante detto sonotrodo secondo parametri di scansione predefiniti. According to a further embodiment, at least a portion of an external surface of said raw substrate is scanned by said sonotrode according to predefined scanning parameters.
Preferibilmente detta energia ultrasonora viene emessa in un intervallo di frequenze da 20 a 40 kHz. Preferably, said ultrasonic energy is emitted in a frequency range from 20 to 40 kHz.
Vantaggiosamente, detto sonotrodo è mantenuto a contatto di detto substrato grezzo in modo da esercitare una pressione predefinita su detto substrato grezzo. Advantageously, said sonotrode is kept in contact with said raw substrate so as to exert a predefined pressure on said raw substrate.
Preferibilmente, detta pressione è compresa tra 0.5 e 30 bar. Secondo una ulteriore forma di realizzazione, detto substrato grezzo comprende fibre di rinforzo disperse in detta matrice termoplastica. Preferably, said pressure is comprised between 0.5 and 30 bar. According to a further embodiment, said raw substrate comprises reinforcing fibers dispersed in said thermoplastic matrix.
Preferibilmente, dette fibre di rinforzo sono a base di fibre polimeriche, quali ad esempio fibre di vetro, fibre di carbonio, fibre aramidiche, fibre di basalto e/o una combinazione di dette fibre. Preferably, said reinforcing fibers are based on polymeric fibers, such as for example glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, basalt fibers and / or a combination of said fibers.
Secondo ulteriori forme di realizzazione il metodo della presente invenzione è applicato alla produzione di un manufatto sostanzialmente tubolare , e/o sostanzialmente piano e/o con una superficie curva, a singola o doppia curvatura sia concava che convessa in materiale composito consolidato . According to further embodiments, the method of the present invention is applied to the production of a substantially tubular product, and / or substantially flat and / or with a curved surface, with single or double curvature, both concave and convex, in consolidated composite material.
Ulteriori forme di realizzazione particolari o preferite della presente invenzione, nonché possibili applicazioni della stessa sono definite nelle rivendicazioni dipendenti. Further particular or preferred embodiments of the present invention, as well as possible applications thereof, are defined in the dependent claims.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Ulteriori vantaggi, obiettivi e caratteristiche, nonché forme di realizzazione della presente invenzione saranno chiariti nel seguito per mezzo della descrizione seguente delle forme di realizzazione rappresentate nelle tavole di disegno allegate, nelle quali caratteristiche e parti corrispondenti o equivalenti della presente invenzione sono identificate dagli stessi numeri di riferimento; in particolare, nelle figure: Further advantages, objectives and features, as well as embodiments of the present invention will be clarified below by means of the following description of the embodiments represented in the attached drawing tables, in which features and corresponding or equivalent parts of the present invention are identified by the same numbers of reference; in particular, in the figures:
- le figure la e lb e mostrano rispettivamente viste in sezione trasversale di un tessuto o nastro commingled, contenente sia fibre di rinforzo che matrice in forma di filamenti, prima del trattamento mediante il metodo secondo la presente invenzione e di un composito consolidato ottenuto trattando il nastro o tessuto commingled di figura la secondo il metodo della presente invenzione; Figures la and 1b e respectively show cross-sectional views of a commingled fabric or tape, containing both reinforcing fibers and matrix in the form of filaments, before treatment by the method according to the present invention and of a consolidated composite obtained by treating the commingled tape or fabric of Figure 1 according to the method of the present invention;
- la figura 2 mostra una vista in assonometria di un supporto atto a essere usato per la produzione di un laminato in materiale composito consolidato secondo il metodo della presente invenzione; Figure 2 shows an axonometric view of a support suitable to be used for the production of a laminate in consolidated composite material according to the method of the present invention;
la figura 3 mostra una vista in prospettiva di una apparecchiatura di supporto atta a essere usata per la produzione di un manufatto tubolare in materiale composito consolidato secondo il metodo della presente invenzione; figure 3 shows a perspective view of a support apparatus suitable to be used for the production of a tubular product in consolidated composite material according to the method of the present invention;
la figura 4 mostra una vista in prospettiva di una apparecchiatura di supporto atta a essere usata per la produzione di un manufatto in materiale composito consolidato con almeno una porzione concava e/o convessa secondo il metodo della presente invenzione. Figure 4 shows a perspective view of a support apparatus suitable to be used for the production of an manufactured article in consolidated composite material with at least one concave and / or convex portion according to the method of the present invention.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA PRESENTE INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE PRESENT INVENTION
Nonostante la presente invenzione venga descritta nel seguito con riferimento alle sue forme di realizzazione rappresentate nelle tavole di disegno, la presente invenzione non è limitata alle forme di realizzazione descritte nel seguito e rappresentate nelle tavole di disegno. Al contrario, le forme di realizzazione descritte e rappresentate nelle tavole di disegno chiariscono alcuni aspetti della presente invenzione, lo scopo della quale è definito dalle rivendicazioni. Although the present invention is described below with reference to its embodiments represented in the drawing tables, the present invention is not limited to the embodiments described below and represented in the drawing tables. On the contrary, the embodiments described and represented in the drawing tables clarify some aspects of the present invention, the purpose of which is defined by the claims.
La presente invenzione trova particolare ma non esclusiva applicazione nel campo della produzione di materiali compositi consolidati a matrice termoplastica fibro-rinforzata, nonché del campo della produzione di manufatti di forma predefinita in materiale composito consolidato a matrice termoplastica fibro-rinforzata. Per tale motivo, la presente invenzione verrà descritta nel seguito con particolare riferimento alle sue applicazioni relative alla produzione di materiali compositi consolidati a matrice termoplastica fibro-rinforzata e relativi manufatti. Va peraltro notato che il metodo secondo la presente invenzione non è adatta esclusivamente alla produzione dei suddetti materiali e/o manufatti. Al contrario, il metodo secondo la presente invenzione trova conveniente applicazione in tutti quei casi in cui si rendono necessari il rammollimento e/o fusione di una matrice termoplastica (ad esempio non rinforzata) e il suo successivo consolidamento (indurimento). The present invention finds particular but not exclusive application in the field of the production of consolidated composite materials with a fiber-reinforced thermoplastic matrix, as well as in the field of the production of manufactured articles of predefined shape in consolidated composite material with a fiber-reinforced thermoplastic matrix. For this reason, the present invention will be described below with particular reference to its applications relating to the production of consolidated composite materials with a fiber-reinforced thermoplastic matrix and related manufactured articles. It should however be noted that the method according to the present invention is not suitable exclusively for the production of the aforementioned materials and / or manufactured articles. On the contrary, the method according to the present invention finds convenient application in all those cases in which the softening and / or melting of a thermoplastic matrix (for example not reinforced) and its subsequent consolidation (hardening) are necessary.
La figura la mostra una vista in sezione trasversale di un substrato 1 (nel seguito identificato anche come substrato grezzo) costituito da un nastro o tessuto “commingled” di per sé noto agli esperti del ramo. Come rappresentato in figura la, il substrato 1 è costituito da una matrice termoplastica 2, nella quale sono disperse fibre di rinforzo 3 secondo una distribuzione più o meno uniforme. Detto substrato viene prodotto e messo a disposizione nella forma rappresentata schematicamente nella figura la, laddove la fibra di matrice termo plastica 2 e la fibra di rinforzo 3 sono realizzate utilizzando i materiali o delle combinazioni di materiali precedentemente citate. Figure 1a shows a cross-sectional view of a substrate 1 (hereinafter also identified as raw substrate) consisting of a commingled tape or fabric known per se to those skilled in the art. As shown in Figure la, the substrate 1 is constituted by a thermoplastic matrix 2, in which reinforcing fibers 3 are dispersed according to a more or less uniform distribution. Said substrate is produced and made available in the form shown schematically in Figure la, wherein the thermo-plastic matrix fiber 2 and the reinforcing fiber 3 are made using the materials or combinations of materials mentioned above.
Per ottenere un materiale composito consolidato 10 (figura lb) partendo dal substrato grezzo 1 è ovviamente necessario sottoporre il substrato grezzo 1 a un trattamento opportuno. Va peraltro precisato che con l’espressione materiale composito consolidato si intende un materiale in cui la fibra di matrice termo plastica sia uniformemente distribuita e in cui la fibra di rinforzo sia completamente impregnata con la fibra di materiale termoplastico, e in cui siano sostanzialmente assenti porosità o bolle di aria residua. Secondo la presente invenzione, come rappresentato schematicamente nella figura 1, si propone appunto un metodo opportuno per il trattamento del substrato grezzo 1 allo scopo di ottenere da esso un materiale consolidato o anche un manufatto di forme e dimensioni variabili a seconda delle esigenze e/o circostanze, realizzato mediante un materiale composito consolidato. To obtain a consolidated composite material 10 (Figure 1b) starting from the raw substrate 1 it is obviously necessary to subject the raw substrate 1 to a suitable treatment. It should also be noted that the term consolidated composite material means a material in which the thermo-plastic matrix fiber is uniformly distributed and in which the reinforcing fiber is completely impregnated with the thermoplastic material fiber, and in which porosity is substantially absent. or residual air bubbles. According to the present invention, as schematically represented in Figure 1, a suitable method is proposed for the treatment of the raw substrate 1 in order to obtain from it a consolidated material or even an article of variable shapes and sizes according to the requirements and / or circumstances, made using an established composite material.
Come anticipato in precedenza, la presente invenzione suggerisce un metodo migliorativo rispetto ai metodi tradizionali e noti nello stato della tecnica che prevedono il rammollimento della matrice termoplastica mediante fonti di calore quali correnti di aria calda, fiamme, sorgenti laser o simili, e che hanno il notevole svantaggio di richiedere l’esecuzione di operazioni di debulking successive al rammollimento della fibra termoplastica, quali ad esempio l’applicazione di pressione mediante rulli o dispositivi simili, nonché eventualmente l’utilizzo di dispositivi a vuoto per la rimozione delle bolle residue e l’eliminazione dei vuoti. As previously anticipated, the present invention suggests an improvement method with respect to traditional methods known in the state of the art which provide for the softening of the thermoplastic matrix by means of heat sources such as hot air currents, flames, laser sources or the like, and which have the considerable disadvantage of requiring the execution of debulking operations subsequent to the softening of the thermoplastic fiber, such as for example the application of pressure by means of rollers or similar devices, as well as possibly the use of vacuum devices for the removal of residual bubbles and the elimination of voids.
Mentre si rimanda alla descrizione seguente per quanto riguarda le caratteristiche peculiari del metodo secondo la presente invenzione è opportuno precisare a questo punto della descrizione che il metodo secondo la presente invenzione prevede l’uso di energia ultrasonora per il rammollimento e/o la fusione almeno parziale della matrice termoplastica, laddove detta energia ultrasonora non è mai stata utilizzata nel settore per scopi simili. Inoltre, secondo la presente invenzione il metodo prevede l'applicazione di pressione sul substrato grezzo mediante lo stesso dispositivo generatore dell'energia ultrasonora e contemporaneamente all’esposizione del substrato grezzo alla detta energia ultrasonora. Il risultato è quindi quello di una deposizione e impregnazione in situ (on line), con evidenti vantaggi in termini di rese più elevate e costi di produzione più contenuti. While reference is made to the following description as regards the peculiar characteristics of the method according to the present invention, it is appropriate to specify at this point of the description that the method according to the present invention provides for the use of ultrasonic energy for softening and / or at least partial melting. of the thermoplastic matrix, where said ultrasonic energy has never been used in the sector for similar purposes. Furthermore, according to the present invention, the method provides for the application of pressure on the raw substrate by means of the same ultrasound energy generator device and simultaneously with the exposure of the raw substrate to said ultrasonic energy. The result is therefore that of in situ deposition and impregnation (on line), with obvious advantages in terms of higher yields and lower production costs.
In figura 2 è riportato in forma schematica un esempio di realizzazione mediante il metodo secondo la presente invenzione di un manufatto in un materiale composito consolidato. Nell’esempio si tratta in particolare di un manufatto planare, ad esempio a forma di piastra o simile, per cui allo scopo un tessuto 1 di materiale commingled viene deposto su di un supporto 1 1 comprendente una superficie piana sulla quale viene appunto deposto il tessuto 1. La trasformazione da tessuto grezzo a materiale composito avviene mediante l’utilizzo di un sonotrodo 20 atto ad emettere energia ultrasonora secondo parametri predefiniti di emissione. Il dispositivo di emissione 20, durante remissione di energia ultrasonora, viene mantenuto a contatto con il substrato grezzo 1, in particolare in modo da esercitare una pressione predefinita sul substrato grezzo stesso 1, e viene mosso sulla superficie esposta (opposta a quella a contatto del supporto 11) lungo le due direzioni nel piano indicate dalle frecce. In particolare, la traslazione o scansione del sonotrodo 20 potrà avvenire con l’ausilio di una apparecchiatura di interfaccia, comprendente ad esempio il braccio di un robot controllato da opportuna elettronica e software. Mediante l’energia ultrasonora emessa dal dispositivo 20 si ottiene il rammollimento o la fusione almeno parziale della matrice termoplastica del substrato grezzo 1 che andrà quindi ad impregnare completamente la fibra di supporto 3 del substrato grezzo 1 secondo quanto anticipato e descritto con riferimento alla figura 1. Ovviamente, i parametri di scansione del sonotrodo potranno essere impostati a seconda delle esigenze e/o circostanze, in particolare dello spessore del substrato grezzo 1 che potrà anche essere costituito da più tessuti elementari disposti uno sull’altro. Ovviamente, aumentando lo spessore del substrato grezzo 1 diminuirà la velocità di scansione e viceversa. Allo stesso modo, verranno impostati a seconda delle esigenze e/o circostanze la frequenza e/o la potenza dell’energia ultrasonora, l’angolo di inclinazione del dispositivo 20 rispetto al substrato 1, nonché la pressione esercitata dal dispositivo 20 sul substrato 1. Esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che i risultati più soddisfacenti si ottengono con una frequenza di emissione tra 20 e 40 kHz, nonché con una pressione sul tessuto compresa fra 0.5 e 30 bar. Figure 2 shows in schematic form an example of embodiment by means of the method according to the present invention of an article made of a consolidated composite material. In the example it is in particular a planar product, for example in the form of a plate or the like, for which for this purpose a fabric 1 of commingled material is placed on a support 11 comprising a flat surface on which the fabric is placed. 1. The transformation from raw fabric to composite material occurs through the use of a sonotrode 20 adapted to emit ultrasound energy according to predefined emission parameters. The emission device 20, during the remission of ultrasonic energy, is kept in contact with the raw substrate 1, in particular so as to exert a predefined pressure on the raw substrate 1 itself, and is moved on the exposed surface (opposite to that in contact with the support 11) along the two directions in the plane indicated by the arrows. In particular, the translation or scanning of the sonotrode 20 can take place with the aid of an interface equipment, including for example the arm of a robot controlled by appropriate electronics and software. By means of the ultrasonic energy emitted by the device 20, the softening or at least partial melting of the thermoplastic matrix of the raw substrate 1 is obtained, which will then completely impregnate the support fiber 3 of the raw substrate 1 as anticipated and described with reference to Figure 1 Obviously, the scanning parameters of the sonotrode can be set according to requirements and / or circumstances, in particular the thickness of the raw substrate 1 which can also consist of several elementary tissues arranged one on top of the other. Obviously, increasing the thickness of the raw substrate 1 will decrease the scanning speed and vice versa. In the same way, the frequency and / or the power of the ultrasound energy, the angle of inclination of the device 20 with respect to the substrate 1, as well as the pressure exerted by the device 20 on the substrate 1, will be set according to the needs and / or circumstances. Laboratory experiments have shown that the most satisfactory results are obtained with an emission frequency between 20 and 40 kHz, as well as with a pressure on the tissue between 0.5 and 30 bar.
Mediante la pressione esercitata dal dispositivo 20 contemporaneamente allemissione di energia ultrasonora si ottiene una perfetta impregnazione delle fibre di supporto 3 mediante il materiale ottenuto dalla fusione della matrice termo plastica 2, e l’eliminazione simultanea dei vuoti e delle eventuali bolle residue intrappolate nel substrato 1, eliminando quindi l’esigenza delle operazioni di debulking tipiche dei metodi tradizionali, con evidenti vantaggi in termini di rese di processo più elevate nonché di risparmio dei costi che al contrario, nei metodi tradizionali, sono generati dalle apparecchiature di debulking, quali ad esempio rulli o apparecchiature a vuoto. Vale la pena inoltre porre l’accento ancora una volta sul fatto che, secondo il metodo della presente invenzione, le operazioni di fusione della matrice termoplastica 2 e di consolidamento vengono riunite in una unica operazione o fase del processo. By means of the pressure exerted by the device 20 at the same time as the emission of ultrasonic energy, a perfect impregnation of the support fibers 3 is obtained by means of the material obtained from the fusion of the thermo-plastic matrix 2, and the simultaneous elimination of the voids and any residual bubbles trapped in the substrate 1 , thus eliminating the need for debulking operations typical of traditional methods, with obvious advantages in terms of higher process yields as well as cost savings which, on the contrary, in traditional methods, are generated by debulking equipment, such as rollers or vacuum equipment. It is also worth placing the emphasis once again on the fact that, according to the method of the present invention, the melting operations of the thermoplastic matrix 2 and the consolidation are combined in a single operation or phase of the process.
Vale la pena inoltre precisare che il tessuto o substrato grezzo 1 deposto sul supporto 11 non deve necessariamente avere dimensioni planari corrispondenti a quelle del supporto 11; al contrario, è possibile disporre sul supporto 11 tessuti 1 o pezzi di tessuto 1 (di dimensioni inferiori a quelle del supporto 11), uno adiacente all’altro in modo da ricoprire parzialmente o interamente la superficie di supporto del supporto 11. In questo caso, mediante l’energia ultrasonora emessa dal dispositivo 20 si otterrà non solo la fusione della matrice termo plastica 2 e quindi l’impregnazione della fibra di rinforzo 3, ma piuttosto anche la saldatura di pezzi di tessuto grezzo adiacenti, e quindi la realizzazione di un unico manufatto in materiale composito consolidato. It is also worth specifying that the raw fabric or substrate 1 deposited on the support 11 need not necessarily have planar dimensions corresponding to those of the support 11; on the contrary, it is possible to arrange on the support 11 fabrics 1 or pieces of fabric 1 (smaller than those of the support 11), one adjacent to the other so as to partially or completely cover the support surface of the support 11. In this case , by means of the ultrasonic energy emitted by the device 20 not only the fusion of the thermo-plastic matrix 2 and therefore the impregnation of the reinforcing fiber 3 will be obtained, but rather also the welding of adjacent raw fabric pieces, and therefore the realization of a unique product in consolidated composite material.
In figura 4 è rappresentato in forma schematica il procedimento per la realizzazione mediante il metodo secondo la presente invenzione di un manufatto in materiale composito consolidato avente almeno una superficie curva (concava o alternativamente convessa); nella figura 4, le caratteristiche e/o parti componenti già descritte con riferimento ad altre figure sono ovviamente identificate dagli stessi numeri di riferimento. Nel caso dell’esempio di figura 4 viene utilizzato un supporto 12 con una superficie curva (concava o convessa) sul quale viene adagiato un tessuto grezzo 1, od eventualmente una pluralità di tessuti adiacenti uno all’altro e/o sovrapposti uno airaltro. La differenza sostanziale tra l’esempio di figura 4 e quello di figura 2 risiede quindi nel fatto che in questo caso il dispositivo 20 dovrà essere traslato nelle tre dimensioni dello spazio come rappresentato dalle frecce, rimanendo essenzialmente inalterati tutti gli altri parametri di processo e/o le modalità di esecuzione dello stesso come esposto in precedenza con riferimento all’esempio di figura 2. Alla fine del processo si otterrà quindi un manufatto in materiale composito consolidato della forma desiderata. Si intuisce quindi che la forma finale del manufatto dipenderà dalla forma del supporto 12 per cui utilizzando supporti 12 di forma opportuna sarà possibile realizzare manufatti essenzialmente di forma qualsiasi. Figure 4 shows in schematic form the process for manufacturing, by means of the method according to the present invention, an manufactured article in consolidated composite material having at least one curved surface (concave or alternatively convex); in figure 4, the characteristics and / or component parts already described with reference to other figures are obviously identified by the same reference numbers. In the case of the example of figure 4, a support 12 is used with a curved surface (concave or convex) on which a raw fabric 1 is placed, or possibly a plurality of fabrics adjacent to each other and / or superimposed on each other. The substantial difference between the example of figure 4 and that of figure 2 therefore lies in the fact that in this case the device 20 will have to be translated in the three dimensions of the space as represented by the arrows, while all the other process parameters and / are essentially unchanged. or the methods of execution of the same as previously described with reference to the example of figure 2. At the end of the process, a consolidated composite material product of the desired shape will therefore be obtained. It is therefore understood that the final shape of the product will depend on the shape of the support 12, so that by using supports 12 of suitable shape it will be possible to produce products of essentially any shape.
Un ulteriore esempio molto interessante di applicazione del metodo secondo la presente invenzione è rappresentato infine nella figura 3, nella quale come al solito, le caratteristiche e/o parti componenti già descritte in precedenza con riferimento ad altre figure sono identificate dagli stessi numeri di riferimento. A further very interesting example of application of the method according to the present invention is finally represented in Figure 3, in which, as usual, the characteristics and / or component parts already described above with reference to other figures are identified by the same reference numbers.
Nel caso dell’esempio di applicazione riportato schematicamente nella figura 3 il manufatto in materiale composito consolidato da realizzare è essenzialmente cavo e di forma tubolare. A tale scopo, un nastro 1 di materiale grezzo (commingled) viene avvolto in modo continuo su di un elemento cilindrico rotante 13 come indicato dalla freccia ricurva. Sul nastro 1 agisce ancora una volta un dispositivo 20 (ad esempio un sonotrodo), in questo caso in particolare essenzialmente sulla zona di primo contatto tra il nastro 1 e il supporto girevole 13. L’impregnazione delle fibre di supporto avverrà quindi mediante il sonotrodo essenzialmente secondo le modalità esposte in precedenza con riferimento ad altri esempi (emissione di energia ultrasonora, pressione sul substrato 1 eccetera). Inoltre, in questo caso, mediante il dispositivo 20 si otterrà contemporaneamente anche la saldatura dei bordi adiacenti del nastro 1, vale a dire tra il bordo del nastro 1 “in entrata” (a destra del nastro nella figura 3) e il bordo del nastro già avvolto sul supporto girevole 13 (a sinistra nella figura 3). Per cui, alla fine del processo, si otterrà un manufatto cavo di forma tubolare in materiale composito consolidato e quindi adatto per diverse e molteplici applicazioni. Anche in questo caso, per quanto riguarda i parametri specifici del processo, si rimanda a quanto esposto in precedenza con riferimento ad altri esempi. La particolarità dell’esempio di figura 3 risiede nel fatto che in questo caso il dispositivo 20 verrà traslato lungo una direzione parallela all’asse longitudinale del supporto 13 come indicato dalla doppia freccia, con una velocità di traslazione che dipenderà dalle esigenze e/o circostanze (spessore del substrato grezzo 1 eccetera). In the case of the application example shown schematically in Figure 3, the consolidated composite material product to be made is essentially hollow and tubular in shape. For this purpose, a strip 1 of raw material (commingled) is wound continuously on a rotating cylindrical element 13 as indicated by the curved arrow. A device 20 (for example a sonotrode) acts once again on the belt 1, in this case in particular essentially on the area of first contact between the belt 1 and the rotating support 13. The impregnation of the supporting fibers will therefore take place by means of the sonotrode essentially according to the methods described above with reference to other examples (emission of ultrasound energy, pressure on the substrate 1, etc.). Furthermore, in this case, by means of the device 20, the welding of the adjacent edges of the belt 1 will also be obtained at the same time, that is, between the edge of the "incoming" belt 1 (to the right of the belt in Figure 3) and the edge of the belt already wound on the revolving support 13 (on the left in figure 3). Therefore, at the end of the process, a hollow product with a tubular shape in consolidated composite material will be obtained and therefore suitable for different and multiple applications. Also in this case, as regards the specific parameters of the process, reference should be made to the above with reference to other examples. The peculiarity of the example of figure 3 lies in the fact that in this case the device 20 will be translated along a direction parallel to the longitudinal axis of the support 13 as indicated by the double arrow, with a translation speed that will depend on the needs and / or circumstances. (thickness of raw substrate 1 etc.).
Bisogna infine aggiungere che con tale metodo è possibile realizzare strutture laminate contenenti più strati di materiale composito perfettamente saldati tra loro ripetendo più volte le operazione descritte per i casi rappresentati in precedenza. L’azione del sonotrodo agente sullo strato più esterno secondo quanto già descritto è in fatti in grado di saldare detto strato a quello depositato e consolidato in precedenza. Finally, it should be added that with this method it is possible to create laminated structures containing several layers of composite material perfectly welded together by repeating the operations described above for the cases represented above several times. The action of the sonotrode acting on the outermost layer according to what has already been described is in fact able to weld said layer to the previously deposited and consolidated one.
Si è quindi dimostrato per mezzo della descrizione precedente che la soluzione secondo la presente invenzione permette di raggiungere gli scopi prefissati e di superare i problemi e gli inconvenienti tipici delle soluzioni secondo l’arte nota. It has therefore been shown by means of the previous description that the solution according to the present invention allows to achieve the intended purposes and to overcome the problems and drawbacks typical of the solutions according to the known art.
In particolare, la soluzione secondo la presente invenzione permette di sfruttare adeguatamente l’energia ultrasonora mai usata in precedenza per ottenere la fusione di una matrice termoplastica e l’impregnazione mediante il materiale fuso delle fibre di supporto disperse nella matrice termoplastica di un substrato grezzo. In particular, the solution according to the present invention allows to adequately exploit the ultrasound energy never used previously to obtain the fusion of a thermoplastic matrix and the impregnation by means of the molten material of the support fibers dispersed in the thermoplastic matrix of a raw substrate.
Inoltre, il metodo secondo la presente invenzione permette una notevole riduzione dei costi ed una apprezzabile semplificazione delle operazioni in quanto riunisce in un’unica fase di processo le fasi di fusione della matrice termoplastica e di debulking che al contrario nei metodi tradizionali devono essere eseguite in fasi successive e mediante apparecchiature atte allo scopo. Furthermore, the method according to the present invention allows a considerable reduction in costs and an appreciable simplification of operations since it brings together in a single process phase the melting and debulking phases of the thermoplastic matrix which, on the contrary, in traditional methods must be performed in subsequent phases and by means of equipment suitable for the purpose.
Va comunque notato che, sebbene la presente invenzione sia stata chiarita per mezzo della descrizione delle sue forme di realizzazione rappresentate nelle tavole di disegno, la presente invenzione non è limitata alle forme di realizzazione precedentemente descritte e rappresentate nelle tavole di disegno. Al contrario, la presente invenzione comprende tutte quelle modifiche o varianti delle forme di realizzazione descritte note all’uomo del mestiere e che rientrano nell’ambito di protezione delle rivendicazioni. However, it should be noted that although the present invention has been clarified by means of the description of its embodiments represented in the drawing tables, the present invention is not limited to the embodiments previously described and represented in the drawing tables. On the contrary, the present invention includes all those modifications or variations of the embodiments described which are known to the man of the art and which fall within the scope of protection of the claims.
Claims (16)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT001800A ITMI20131800A1 (en) | 2013-10-30 | 2013-10-30 | METHOD FOR THE REALIZATION OF COMPOSITE MATERIALS AND ITS APPLICATIONS FOR THE CONSTRUCTION OF MATERIALS AND COMPOSITE MATERIALS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT001800A ITMI20131800A1 (en) | 2013-10-30 | 2013-10-30 | METHOD FOR THE REALIZATION OF COMPOSITE MATERIALS AND ITS APPLICATIONS FOR THE CONSTRUCTION OF MATERIALS AND COMPOSITE MATERIALS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ITMI20131800A1 true ITMI20131800A1 (en) | 2015-05-01 |
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ID=49841728
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| IT001800A ITMI20131800A1 (en) | 2013-10-30 | 2013-10-30 | METHOD FOR THE REALIZATION OF COMPOSITE MATERIALS AND ITS APPLICATIONS FOR THE CONSTRUCTION OF MATERIALS AND COMPOSITE MATERIALS |
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| IT (1) | ITMI20131800A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020112804A1 (en) * | 1991-03-01 | 2002-08-22 | Woods Jack A | Method of fabricating a polymer-matrix fiber-reinforced composite and the product thereof |
| US6511563B2 (en) * | 1991-03-01 | 2003-01-28 | Foster-Miller, Inc. | Device for ultrasonically consolidating fiber reinforced composite structures |
-
2013
- 2013-10-30 IT IT001800A patent/ITMI20131800A1/en unknown
Patent Citations (2)
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