ITNA20090060A1 - PULTRUSION SYSTEM FOR THE MANUFACTURE OF COMPOSITE MATERIAL ELEMENTS IN MORE STEP WITH HIGH SPEED SPEED. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del brevetto di invenzione industriale dal titolo: DESCRIPTION of the industrial invention patent entitled:

Sistema di pultrusione per la fabbricazione di elementi in materiale composito in più step con elevate velocità di tiro. Pultrusion system for the manufacture of composite material elements in several steps with high pulling speeds.

La tecnologia di pultrusione impiega per la realizzazione di elementi in materiale composito a matrice polimerica un apparato detto “pultrusore” (Figura 1). Tale tecnologia prevede il prelievo mediante un sistema di tiro, di fibre continue in forma di roving, tessuto o mat, disposte in opportuna posizione necessariamente prima dell’ultima stazione di impregnazione. Il rinforzo è avvolto attorno ad un numero di rocchetti variabile a secondo delle caratteristiche di resistenza a trazione richieste al manufatto finale e sostenute da una attrezzatura detta cantra. Il fascio di fibre impregnate entra in un sistema di polimerizzazione (stampo riscaldato) nel quale avviene il consolidamento del materiale attraverso il processo di cura (polimerizzazione della resina attorno al rinforzo). The pultrusion technology uses an apparatus called "pultruder" for the realization of elements in polymer matrix composite material (Figure 1). This technology provides for the withdrawal by means of a pulling system of continuous fibers in the form of roving, fabric or mat, arranged in an appropriate position necessarily before the last impregnation station. The reinforcement is wrapped around a variable number of reels according to the tensile strength characteristics required of the final product and supported by an equipment called creel. The bundle of impregnated fibers enters a polymerization system (heated mold) in which the consolidation of the material takes place through the curing process (polymerization of the resin around the reinforcement).

La fase di impregnazione del rinforzo è necessariamente posta tra quella di alimentazione e quella di cura. La pratica maggiormente diffusa per realizzare l’impregnazione è quella di far passare il rinforzo attraverso un bagno di resina polimerica contenuta in una vasca da cui il nome “vasca di impregnazione” periodicamente rabboccata. Una possibile alternativa a quanto descritto per questa fase è quella di iniettare la resina sotto pressione direttamente nella parte raffreddata dello stampo/matrice. The step of impregnation of the reinforcement is necessarily placed between that of feeding and that of curing. The most common practice to carry out impregnation is to pass the reinforcement through a polymer resin bath contained in a tank hence the name "impregnation tank" periodically topped up. A possible alternative to what has been described for this phase is to inject the resin under pressure directly into the cooled part of the mold / matrix.

La fase di formatura con la modellazione dell’oggetto e la polimerizzazione del manufatto sono realizzate in parallelo all’interno dello stampo/matrice durante l’avanzamento del manufatto. La reazione di polimerizzazione si innesca e si sostiene per mezzo del calore fornito dal esterno con la possibilità di impiegare diversi sistemi di riscaldamento. The forming phase with the modeling of the object and the polymerization of the product are carried out in parallel within the mold / matrix during the advancement of the product. The polymerization reaction is triggered and sustained by means of the heat supplied by the outside with the possibility of using different heating systems.

Nello stampo/matrice la resina ha reticolato raggiungendo un adeguato grado di polimerizzazione che permette al pultruso di essere afferrato dal sistema di tiro. In the mold / matrix the resin has cross-linked reaching an adequate degree of polymerization that allows the pultrud to be gripped by the pulling system.

Il sistema di tiro è solitamente posizionato sufficientemente lontano dal sistema di polimerizzazione, in maniera tale che il pultruso afferrato abbia avuto il tempo di raffreddarsi e risulti nello stato vetroso quando ammorsato. I meccanismi di impiego più comuni adoperati per il tiro, utilizzano sistemi del tipo caterpillar o morsettiere montate su carrelli dotati di moto alterno. Quest’ultima tecnica è più versatile della prima. The pulling system is usually positioned sufficiently far from the polymerization system, so that the grabbed pultrude has had time to cool and is in the glassy state when clamped. The most common mechanisms of use used for pulling, use caterpillar-type systems or terminal blocks mounted on trolleys equipped with reciprocating motion. The latter technique is more versatile than the first.

Il taglio rappresenta l’atto conclusivo in un processo di pultrusione; esso avviene comunemente mediante una sega avente la possibilità di spostarsi parallelamente alla direzione di pultrusione con la stessa velocità relativa nulla durante l’esecuzione di questa operazione. The cut represents the final act in a pultrusion process; it commonly takes place by means of a saw having the ability to move parallel to the direction of pultrusion with the same zero relative speed during the execution of this operation.

Metodologia di impiego del nuovo sistema. Methodology of use of the new system.

L’apparato oggetto del presente brevetto è impiegato come sistema di pultrusione allo scopo di migliorare il di cura e contemporaneamente aumentare la produttività nella realizzazione di profili pultrusi aventi geometrie ad asse rettilineo o generate per rototraslazioni di sezioni più o meno complesse in materiale composito a matrice polimerica. La particolare configurazione e geometria delle parti costituenti il nuovo sistema di pultrusione deriva dalla necessità di dover accrescere la sezione del profilo pultruso in uscita da una precedente stazione di cura aggiungendo nuove fibre impregnate di resina da polimerizzare in una successiva stazione. Tale sequenza è possibile ripeterla più volte a seconda delle dimensioni trasversali finali del profilo pultruso e dagli spessori di materiale aggiunti in ciascuna stazione di polimerizzazione (Figura 1). The apparatus object of the present patent is used as a pultrusion system in order to improve the cure and at the same time increase the productivity in the production of pultruded profiles having rectilinear axis geometries or generated by roto-translations of more or less complex sections in matrix composite material polymer. The particular configuration and geometry of the parts making up the new pultrusion system derives from the need to increase the section of the pultruded profile leaving a previous treatment station by adding new resin-impregnated fibers to be polymerized in a subsequent station. This sequence can be repeated several times depending on the final transverse dimensions of the pultruded profile and the thicknesses of material added in each curing station (Figure 1).

In tale sistema di pultrusione l alimentazione del rinforzo deve avvenire prima di ciascuna stazione di cura lungo l’asse dell’apparato produttivo; l’adduzione delle fibre può avvenire da un’unica scaffalatura o sistema di alimentazione posta all’estremità di testa dell’apparato (Figura 1A) prevedendo opportune guide lungo l’asse della macchina di pultrusione per permettere alle fibre di raggiungere le varie stazioni di impregnazione poste, comunque, prima dell’ultima stazione di cura. Le guide eventualmente sono realizzate in materiale opportuno ad evitare rottura delle fibre e sfregamento delle stesse con conseguente produzione di cariche elettrostatiche negative per la formazione di grumi di resina durante la fase di impregnazione. Un sistema alternativo per l’alimentazione delle fibre può essere realizzato in vicinanza di ciascuna stazione di impregnazione lateralmente o superiormente allo sviluppo longitudinale dell’apparato di pultrusione, tale configurazione da preferirsi se diverse forme della fase di rinforzo debbono adoperarsi nella formazione del profilo pultruso (Figura 1B). In this pultrusion system, the reinforcement must be fed before each treatment station along the axis of the production apparatus; the adduction of the fibers can take place from a single shelving or feeding system placed at the head end of the apparatus (Figure 1A) by providing suitable guides along the axis of the pultrusion machine to allow the fibers to reach the various feeding stations impregnation placed, however, before the last treatment station. The guides are possibly made of a material suitable to avoid breaking the fibers and rubbing them with consequent production of negative electrostatic charges due to the formation of lumps of resin during the impregnation phase. An alternative system for feeding the fibers can be realized in the vicinity of each impregnation station laterally or above the longitudinal extension of the pultrusion apparatus, this configuration to be preferred if different forms of the reinforcement phase must be used in the formation of the pultruded profile ( Figure 1B).

L’impregnazione delle fibre di rinforzo deve avvenire prima di ciascuna stazione di cura; tale fase può ottenersi in un'unica stazione di impregnazione in testa all’apparato di pultrusione oppure prima di ciascun forno di polimerizzazione, nel secondo caso ci saranno stazioni di polimerizzazione in numero uguale a quelle impiegate per la cura della resina (Figura 1). Quest’ultima soluzione è da preferirsi, evitando che in apparati di pultrusione molto lunghi la resina possa cominciare a polimerizzare sulle fibre “bagnate” prima che queste siano entrate nelle rispettive stazioni di cura poste lungo l’asse della macchina, tale polimerizzazione innescata o per effetto massa e/o per il calore presente nell’ambiente circostante agli elementi riscaldanti delle stazioni o forni di polimerizzazione della resina. Ciascun sistema di impregnazione costituito da una vasca contenente resina, periodicamente rabboccata e con fori di troppo pieno, presenta una serie di rulli immersi per permettere alle fibre di rinforzo di aprirsi migliorandone la bagnabilità e seguire un percorso più lungo nella resina (Figura 2). Un sistema alternativo e più efficace per incrementare la produttività del processo è di utilizzare un sistema di impregnazione ad iniezione di resina in grado di realizzare la miscelazione del sistema polimerico secondo la velocità di tiro adottata dall’apparato di pultrusione potendo impiegare in questo caso resine con tempi di cura molto brevi, tale iniezione può avvenire sulle fibre all’aperto o all’intemo del forno matrice (Figura 3). The impregnation of the reinforcing fibers must take place before each treatment station; this phase can be obtained in a single impregnation station at the head of the pultrusion apparatus or before each polymerization oven, in the second case there will be polymerization stations in the same number as those used for curing the resin (Figure 1). This last solution is to be preferred, avoiding that in very long pultrusion apparatuses the resin can begin to polymerize on the "wet" fibers before they have entered the respective curing stations located along the axis of the machine, such polymerization triggered or for mass effect and / or due to the heat present in the environment surrounding the heating elements of the resin polymerization stations or ovens. Each impregnation system consisting of a tank containing resin, periodically topped up and with overflow holes, has a series of immersed rollers to allow the reinforcing fibers to open, improving their wettability and following a longer path in the resin (Figure 2). An alternative and more effective system to increase the productivity of the process is to use a resin injection impregnation system capable of mixing the polymeric system according to the pulling speed adopted by the pultrusion apparatus, being able to use in this case resins with very short curing times, this injection can take place on the fibers outdoors or inside the matrix oven (Figure 3).

Il sistema di riscaldamento, inteso come sorgente di calore indispensabile alla reazione di polimerizzazione della resina, può essere realizzato, per esempio con sistemi a conduzione mediante resistenze elettriche interne, con flussi caldi inserite nel forno di cura, oppure con sistemi trasparenti che adoperano per esempio il caloe generato còn radiazioni UV e IR. Nel sistema di pultrusion documentato è adoperato un impianto di riscaldamento a conduzione del tipo a resis nza però perdere di generalità potendosi adoperare qualsiasi altro apparato di riscaldamento (Figura 4). La stazione di cura della resina riscaldata secondo le diverse possibili modalità esposte, è costituito da più di un elemento ripetuto lungo l’asse dell’apparato di pultrusione (Figura 1). Le dimensioni trasversali dei forni di cura presenti lungo l’apparato descritto sono crescenti nella direzione di uscita del profilo pultruso, in particolare ciascuna sottostazione di cura è caratterizzata da dimensioni trasversali costanti ad eccezione di una eventuale svasatura di imbocco nel tratto iniziale (Figura 4) per dar facoltà alla resina in eccesso di rifluire verso l’ingresso. Le dimensioni trasversali crescenti dei diversi forni di cura sono necessari per permettere l’ingresso delle nuove fibre impregnate con il vincolo per l’ultima stazione di cura di prevedere una cavità capace di imporre al profilo pultruso la forma e le dimensioni desiderate (Figura5). Il numero di forni di cura, le dimensioni trasversali per ciascuno di esso e la rispettiva lunghezza dipendono oltre che dalla tipologia di materiale impiegati, anche dalle dimensioni trasversali dei componenti da voler realizzare, pertanto nel caso di profili sottili saranno necessarie poche stazioni di cura diversamente nel caso di componenti molto spessi in cui il processo di cura su spessori maggiori richiederebbe tempi più lunghi per il riscaldamento del profilo con conseguente riduzione della velocità di tiro a patto di non prevedere un numero superiore di forni di polimerizzazione riscaldati. The heating system, intended as a source of heat essential to the polymerization reaction of the resin, can be realized, for example with conduction systems by means of internal electrical resistances, with hot flows inserted in the curing oven, or with transparent systems that use for example the heat generated with UV and IR radiation. In the documented pultrusion system, a conduction heating system of the resistance type is used, however, it loses generality and any other heating apparatus can be used (Figure 4). The resin treatment station heated according to the different possible methods shown, consists of more than one element repeated along the axis of the pultrusion apparatus (Figure 1). The transversal dimensions of the curing ovens present along the described apparatus are increasing in the direction of exit of the pultruded profile, in particular each curing substation is characterized by constant transversal dimensions with the exception of a possible inlet flare in the initial section (Figure 4) to allow the excess resin to flow back towards the entrance. The increasing transverse dimensions of the different curing ovens are necessary to allow the entry of the new impregnated fibers with the constraint for the last curing station of providing a cavity capable of imposing the desired shape and size on the pultruded profile (Figure 5). The number of curing ovens, the transversal dimensions for each of them and the respective length depend not only on the type of material used, but also on the transversal dimensions of the components to be made, therefore in the case of thin profiles a few different curing stations will be necessary. in the case of very thick components in which the curing process on greater thicknesses would require longer times for the heating of the profile with consequent reduction of the firing speed as long as a higher number of heated polymerization ovens are not provided.

Il sistema di tiro può realizzarsi in differenti modalità purché in grado di trasferire il moto di traslazione al profilo con continuità permettendo una velocità variabile. Nel caso documentato tale moto è realizzato adoperando un sistema a cingolo ma lo stesso poteva ottenersi adottando una coppia di pattini dotati di moto alternativo o qualsiasi altro sistema capace di produrre lo stesso effetto desiderato. The pulling system can be implemented in different ways as long as it is able to continuously transfer the translation motion to the profile allowing a variable speed. In the documented case, this motion is made using a track system but the same could be obtained by adopting a pair of skates equipped with reciprocating motion or any other system capable of producing the same desired effect.

Il sistema di taglio costituito, nel caso del sistema documentato da una sega circolare aventi caratteristiche simili a quelle adoperate dai “comuni” pultrusori, completa l’impianto oggetto della presente descrizione. The cutting system constituted, in the case of the system documented by a circular saw with characteristics similar to those used by "common" pultruders, completes the system subject of this description.

All’idea di soluzione potranno essere apportate variazioni formali e strutturali nell’ambito del medesimo concetto innovativo che resta compendiato nelle seguenti rivendicazioni. Formal and structural changes may be made to the solution idea within the same innovative concept which is summarized in the following claims.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI del brevetto di invenzione industriale dal titolo: Sistema di pultrusione per la fabbricazione di elementi in materiale composito in più step con elevate velocità di tiro 1. Un sistema per la fabbricazione di elementi in materiale composito, realizzante la cura della resina su sezioni crescenti del profilo, costituito da: <■>una o più cantre per l’alimentazione della fase di rinforzo posto lungo l’asse dell’apparato di pultrusione (Figura 1 A e B); <■>due o più stampi/matrici adoperati come forni di cura per la polimerizzazione della resina, posti lungo l’asse dell’apparato di pultrusione (Figura 1 A e B); <■>un sistema di traino a cingolo o con pattini per realizzare il moto di avanzamento del materiale in produzione (Figura 1 A e B); ■ un sistema di taglio (Figura 1A e B); il tutto controllato mediante un sistema hardware e software con sensori di pressione, temperatura e velocità. CLAIMS of the industrial invention patent entitled: Pultrusion system for the manufacture of composite material elements in several steps with high pulling speeds 1. A system for the manufacture of elements in composite material, realizing the cure of the resin on increasing sections of the profile, consisting of: <■> one or more creels for feeding the reinforcement phase placed along the axis of the pultrusion apparatus (Figure 1 A and B); <■> two or more molds / matrices used as curing ovens for resin polymerization, placed along the axis of the pultrusion apparatus (Figure 1 A and B); <■> a track or skid towing system to carry out the feed motion of the material being produced (Figure 1 A and B); ■ a cutting system (Figures 1A and B); all controlled by a hardware and software system with pressure, temperature and speed sensors. 2. Un sistema per la fabbricazione di elementi in materiale composito come al punto 1 in grado di realizzare profili mediante stratificazione successiva di fibre impregnate su elementi polimerizzati. 2. A system for the manufacture of elements in composite material as in point 1 capable of making profiles by subsequent layering of impregnated fibers on polymerized elements. 3. Un sistema per la fabbricazione di elementi in materiale composito come al punto 1 e 2 con frazione volumetrica variabile lungo la direzione di stratificazione. 3. A system for the fabrication of elements in composite material as in points 1 and 2 with variable volume fraction along the layering direction. 4. Una cantra come al punto 1, posizionata in testa all’apparato (Figura 1A) o ripetutamente inserita prima di ciascuna stazione di impregnazione inserita lungo l’asse della macchina (Figura 1 B). 4. A creel as in point 1, positioned at the top of the apparatus (Figure 1A) or repeatedly inserted before each impregnation station inserted along the axis of the machine (Figure 1 B). 5. Il sistema di impregnazione delle fibre come al punto 1, posizionato in testa alla prima stazione di cura oppure ripetuto più volte lungo l’asse della macchina per un numero di volte pari al numero di step caratterizzanti l’apparato. 5. The fiber impregnation system as in point 1, positioned at the head of the first treatment station or repeated several times along the axis of the machine for a number of times equal to the number of steps characterizing the apparatus. 6. Il sistema di impregnazione delle fibre come al punto 1 e 3, ripetuto più volte lungo l’asse dell’apparato di pultrusione costituito da una vasca di impregnazione (Figura 2) oppure da un sistema ad iniezione in aria su rulli schiaccianti le fibre o direttamente all’interno dello stampo matrice in pressione (Figura 3) in grado di depositare le fibre impregnate su profili già polimerizzati. 6. The fiber impregnation system as in points 1 and 3, repeated several times along the axis of the pultrusion apparatus consisting of an impregnation tank (Figure 2) or an air injection system on rollers crushing the fibers or directly inside the pressurized matrix mold (Figure 3) able to deposit the impregnated fibers on already polymerized profiles. 7. Un sistema di impregnazione come al punto 1, 3 e 4 con rastrelliere per la disposizione simmetrica delle fibre di rinforzo impregnate di resina sul profilo precedentemente polimerizzato nella stazione di cura precedente. 7. An impregnation system as in points 1, 3 and 4 with racks for the symmetrical arrangement of the resin-impregnated reinforcement fibers on the profile previously cured in the previous curing station. 8. Il sistema di polimerizzazione come al punto 1, ripetuto più volte lungo l’asse della macchina di pultrusione con o senza la camera di iniezione della resina (Figura 1 e 3). 8. The polymerization system as in point 1, repeated several times along the axis of the pultrusion machine with or without the resin injection chamber (Figures 1 and 3). 9. Il sistema di polimerizzazione come al punto 1 e 5, con cavità aventi sezioni trasversali costantemente crescenti nel verso del tiro per l’aggiunta di nuovo materiale da curare sul profilo polimerizzato proveniente dalla stazione precedente fino al raggiungimento della sezione finale del profilo (Figura 5). 9. The polymerization system as in points 1 and 5, with cavities having cross sections constantly increasing in the direction of the pull for the addition of new material to be cured on the polymerized profile coming from the previous station until the final section of the profile is reached (Figure 5). 10. Sistema di tiro come al punto 1, costituito da un cingolo o da una coppia di pattini in grado di realizzare opportune velocità di tiro a seconda delle stazione di cura attivate lungo l’apparato di pultrusione a step.10. Pulling system as in point 1, consisting of a track or a pair of shoes capable of achieving appropriate firing speeds depending on the treatment station activated along the step pultrusion apparatus.