Metodo Convenzionale di Molding con Preimpregnato in Fibra di Carbonio

Nel sofisticato mondo dell'aerospaziale e della produzione di alta gamma, prepreg in fibra di carbonio la tecnologia della stampatura è come un "artigiano invisibile", che modella materiali pregiati con una precisione estrema, unendo resistenza e leggerezza. Come processo classico nel campo dei materiali compositi, il metodo tradizionale di stampaggio del prepreg in fibra di carbonio ha attraversato decenni di iterazioni ed è ancora la "colonna portante" della produzione di alto livello. Oggi esamineremo in profondità la logica fondamentale di questa tecnologia, per capire come si trasforma da un semplice foglio di tessuto in fibra di carbonio impregnato di resina fino a diventare un componente chiave di un veicolo spaziale o lo scheletro della carrozzeria di una vettura da corsa.

Cos'è il prepreg in fibra di carbonio?

Per comprendere il metodo di stampaggio, dobbiamo prima capire il concetto base di "prepreg". In termini semplici, il prepreg in fibra di carbonio è la "combinazione perfetta" tra filato di fibra di carbonio e resina: in un ambiente rigorosamente controllato di temperatura e pressione, resine epossidiche, fenoliche e altri materiali della matrice vengono uniformemente impregnati nel tessuto in fibra di carbonio, formando una bobina o un foglio di materiale composito viscoso con una certa viscosità.
Questa caratteristica di "pre-impregnazione" lo distingue dal processo di stampaggio con fibra secca: il contenuto e la distribuzione della resina sono predeterminati, e lo stampaggio successivo deve solo concentrarsi su come far aderire accuratamente il materiale nello stampo e garantirne una completa polimerizzazione, riducendo significativamente la complessità dell'operazione in loco. È come l'impasto già preparato prima della cottura: la ricetta è già stata regolata, resta solo da controllare temperatura e tempo di cottura.

Metodo di stampaggio convenzionale

（1）Stampaggio in autoclave
Il processo standard di riferimento per la produzione di compositi ad alte prestazioni per l'aerospaziale. Comprende la sigillatura del lay-up in prepreg di fibra di carbonio e dello stampo in un sacchetto sottovuoto, che viene poi inserito in un grande contenitore ad alta temperatura e alta pressione, noto come autoclave. Durante il processo di polimerizzazione, si applicano contemporaneamente al contenitore una pressione elevata uniforme (diverse atmosfere) e una temperatura elevata, consentendo alla resina di fluire completamente e compattare le fibre, ottenendo componenti con contenuto di fibra estremamente alto e bassa porosità.
Il vantaggio di questo processo è che produce parti strutturali complesse di qualità insuperabile, con eccellenti proprietà meccaniche e consistenza. Tuttavia, gli svantaggi sono estremamente evidenti: l'attrezzatura per l'autoclave è molto costosa, ha un elevato consumo energetico e cicli produttivi lunghi e costosi; pertanto, è generalmente limitata all'aerospaziale e alle auto da corsa di Formula 1, dove è richiesta prestazione estrema.
（2）Stampaggio a compressione
Un processo altamente efficiente per la produzione media e alta. Consiste nell'inserire una quantità fissa di prepreg o composto per stampaggio (ad esempio SMC) in uno stampo metallico preriscaldato, quindi chiudere lo stampo ed applicare alta pressione e temperatura, in modo che il materiale fluisca all'interno della cavità dello stampo riempiendola, per poi indurirsi e formare il pezzo dopo isolamento termico e mantenimento della pressione.
I vantaggi di questo processo sono elevato grado di automazione, produzione rapida, alta precisione dimensionale del prodotto e superfici lisce su entrambi i lati. Tuttavia, a causa della necessità di uno stampo rigido in grado di sopportare alte pressioni, il costo iniziale di investimento è più elevato. È particolarmente adatto per la produzione di componenti strutturali in grande quantità che richiedono un'elevata qualità superficiale, come pannelli carrozzeria automobilistici, involucri per batterie ed attrezzature sportive ad alte prestazioni.
（3）Stampaggio con sacco a vuoto
Un processo base e comunemente utilizzato che sfrutta la pressione atmosferica per compattare i materiali compositi. Una serie di materiali ausiliari è ricoperta da uno strato applicato manualmente o preimpregnato, e l'intero sistema viene sigillato con un sacco a vuoto, continuamente aspirato da una pompa per creare una depressione, in modo che la pressione atmosferica venga applicata uniformemente sulla superficie del prodotto, rimuovendo l'aria e compattando la struttura.
Questo metodo può aumentare significativamente il contenuto di fibra, ridurre la porosità e migliorare l'uniformità della distribuzione della resina, ed il suo costo è molto inferiore rispetto al forno sotto pressione. Tuttavia, può fornire una pressione massima di circa 0,1 MPa, e il limite superiore delle prestazioni non è paragonabile a quello ottenuto con processi ad alta pressione; è ampiamente utilizzato nella costruzione navale, nei prototipi e in componenti compositi con requisiti di prestazioni medi.
（4）Avvolgimento a rullo
Un processo direzionale specializzato nella produzione di tubi sottili ad alte prestazioni. Il tessuto preimpregnato in fibra di carbonio viene tagliato a un angolo specifico e avvolto con precisione sotto tensione su un mandrino, solitamente seguito dall'avvolgimento di una fascia di compressione per applicare pressione di compattazione, quindi riscaldato e polimerizzato in forno ed espulso per ottenere il tubo.
Questo processo permette un controllo preciso dell'orientamento delle fibre (ad esempio combinazioni a 0°, ±45°), raggiungendo eccellenti proprietà meccaniche assiali alternate, con buona accuratezza dimensionale e qualità superficiale. Tuttavia, si basa su prepreg e mandrini, ha una limitata efficienza produttiva ed è principalmente utilizzato in articoli sportivi di alto livello come shaft di mazze da golf, canne da pesca e forcelle per biciclette.
（5）Avvolgimento a Filamento
Un processo automatizzato per la produzione di elementi rotanti ad alta resistenza. Il trefolo continuo in fibra di carbonio viene impregnato in una vasca di resina e quindi posato con precisione da una testa avvolgitrice controllata da computer su un mandrino rotante, seguendo profili e angoli preimpostati, fino a raggiungere lo spessore desiderato, per poi essere polimerizzato nella forma definitiva.
Il principale vantaggio di questo processo è che le fibre sono continue e uniformemente tensionate, consentendo un contenuto volumetrico di fibra estremamente elevato e un ottimale sfruttamento della resistenza, specialmente nei contenitori soggetti a pressione interna. Tuttavia, è limitato a forme rotazionali convesse e richiede attrezzature costose. Tipici prodotti sono cilindri ad alta pressione (GNC/Idrogeno), tubazioni e carcasse di motori per razzi.
（6）Pultrusione
Un processo altamente efficiente per la produzione continua di profili compositi con sezione costante. Come gli "spaghetti", trascina trefoli continui di fibra di carbonio o tessuti attraverso un bagno di resina per l'impregnazione, quindi li fa passare attraverso uno stampo in acciaio di precisione riscaldato, dove vengono preformati, compattati e continuamente polimerizzati, per essere infine estratti da un estrattore meccanico e tagliati a lunghezza costante.
Il processo è estremamente produttivo, consentendo una produzione continua automatizzata, un elevato utilizzo delle materie prime e una notevole efficacia economica. Tuttavia, i prodotti sono limitati a profili lineari con sezione costante, e la resistenza longitudinale è molto superiore a quella trasversale. I prodotti più comuni includono elementi di travi reticolari, passerelle per cavi, pali a pioli e diverse barre e profili.
（7）Stampaggio con sacco pneumatico
Può essere considerato una versione migliorata della stampaggio con sacco a vuoto. Sulla base del sistema con sacco a vuoto, l'intero stampo incapsulato viene posizionato all'interno di un serbatoio pressurizzabile ermetico, che non solo espelle l'aria dall'interno, ma immette anche aria compressa nel serbatoio, applicando una pressione positiva maggiore (di solito 0,4-0,6 MPa) sull'esterno del sacco a vuoto, consentendo così pressioni di stampaggio superiori rispetto al solo vuoto.
Questo metodo migliora significativamente il contenuto di fibra e la densificazione del pezzo senza richiedere un elevato investimento in un autoclave, superando le prestazioni del processo con solo sacco a vuoto. È particolarmente adatto per la produzione di grandi componenti che non possono essere inseriti in un autoclave, come carene di piccole e medie imbarcazioni, parti per carrozze ferroviarie e grandi radomi.

Confronto dei metodi di formatura del prepreg in fibra di carbonio

Futuro: Innovazione nel patrimonio esistente

Tradizione non significa stagnazione. Oggi, il settore sta superando gli ostacoli grazie a "micro-innovazioni": ad esempio, lo sviluppo di resine a bassa temperatura e a rapida polimerizzazione che riducono il tempo di cura da 2 ore a 30 minuti; l'adozione di attrezzature automatizzate per la laminazione che sostituiscono l'impilamento manuale migliorando l'efficienza; e persino l'introduzione di algoritmi di intelligenza artificiale nella progettazione degli stampi per ottimizzare la distribuzione della pressione e ridurre i difetti.
Questi miglioramenti hanno permesso ai processi tradizionali di mantenere i loro vantaggi prestazionali, mentre transitano gradualmente verso un modello di "alta efficienza e basso costo", continuando a svolgere un ruolo importante nel campo dei materiali compositi.
Dai veicoli spaziali all'equipaggiamento sportivo, il tradizionale metodo di stampaggio preimpregnato in fibra di carbonio interpreta la filosofia produttiva del "lavoro lento e costante" con una fattura solida. Potrebbe non essere il più avanzato, ma in scenari che richiedono un'affidabilità estrema, questa "tradizione" è precisamente la garanzia di qualità più preziosa.