Scopri la nascita dei prodotti in fibra di carbonio: fogli in fibra di carbonio, tubi in carbonio, parti sagomate e come realizzarli

Fibre di carbonio prodotti , con le loro eccezionali caratteristiche di leggerezza e alta resistenza, sono ampiamente utilizzati in molteplici scenari, come componenti aeronautici nell'aerospaziale, strutture della carrozzeria nell'automobilistico ed attrezzature di fascia alta nel settore sportivo. Come si trasformano dai materiali di base a prodotti pratici passo dopo passo? Di seguito viene fornita un'introduzione dettagliata ai punti chiave della produzione di lastre in carbonio, tubi in carbonio e parti sagomate in fibra di carbonio.

Preparazione del Materia Prima

I materiali grezzi principali di prodotti in fibra di carbonio includono filati in fibra di carbonio e materiali matrice. Le fibre di carbonio sono ottenute da fibre organiche come il poliacrilonitrile, carbonizzate ad alte temperature. Hanno un diametro di pochi micron, molto più sottili rispetto a un capello umano, ma molto più resistenti dell'acciaio comune. Queste fibre di carbonio vengono solitamente lavorate in tessuto o filato in fibra di carbonio per facilitare le successive operazioni di stampaggio.

Il materiale matrice è costituito principalmente da resina epossidica e altri materiali polimerici, svolgendo un ruolo fondamentale: non solo unisce i filamenti di fibra di carbonio, ma trasferisce anche le sollecitazioni e al contempo protegge i filamenti stessi dall'ambiente esterno, come umidità, sostanze corrosive e altri agenti aggressivi. Prima della produzione, in base ai requisiti prestazionali dei diversi prodotti, vengono selezionati filamenti di fibra di carbonio e materiali matrice con specifiche adeguate, sottoponendoli a rigorosi test di qualità per garantire che la qualità delle materie prime rispetti gli standard produttivi.

Lamina di carbonio (stampaggio laminato)

Le tavole di carbonio sono realizzate principalmente mediante il processo di stampaggio laminato, spesso utilizzato per prodotti come sci e telai di racchette da badminton.

Innanzitutto, in base ai requisiti di progetto, si procede al taglio prepreg in fibra di carbonio , il prepreg è pre-impregnato con il materiale di base in tessuto di fibra di carbonio, l'errore di taglio deve essere controllato entro 0,1 mm, al fine di garantire la precisione dimensionale dei prodotti successivi.

I prepreg tagliati vengono quindi laminati in una direzione e sequenza specifiche. L'impilamento unidirezionale conferisce al foglio di carbonio un'alta resistenza in una sola direzione, risultando adatto per parti strutturali che devono sopportare forze unidirezionali, mentre l'impilaggio incrociato offre al foglio di carbonio buone prestazioni in più direzioni, risultando adatto per componenti soggetti a condizioni di carico complesse.

Successivamente, i prepreg impilati vengono inseriti negli stampi e viene applicata una pressione di 5-10 MPa in modo che i prepreg aderiscano perfettamente alla forma degli stampi; quindi gli stampi vengono posti in presse termiche o forni e riscaldati e curati a una temperatura di $120-180^{\circ} C$ per 2-4 ore.

Al termine della cura, la piastra di carbonio viene rimossa dallo stampo e vengono eseguite lavorazioni successive come levigatura e taglio per portarla allo standard d'uso.

Tubi in carbonio (avvolgimento e stampaggio)

I tubi in carbonio sono principalmente realizzati mediante il processo di avvolgimento e stampaggio, comunemente utilizzato per prodotti come telai di droni e mazze da golf.

I parametri di avvolgimento della macchina vengono progettati in base alle dimensioni e ai requisiti prestazionali del tubo in carbonio; tra questi, l'angolo di avvolgimento è uno dei parametri chiave. Quando l'angolo di avvolgimento è $\pm 45$ gradi, la resistenza alla torsione del tubo in carbonio è migliore; quando l'angolo di avvolgimento è di 0 gradi, la resistenza assiale del tubo in carbonio sarà maggiore.

Il filato in fibra di carbonio viene completamente impregnato con il materiale di base attraverso un dispositivo di impregnazione; una volta realizzato il filato impregnato, viene avvolto sul mandrino con una tensione di 5-15 Nm, che deve essere mantenuta uniforme durante tutto il processo di avvolgimento, al fine di garantire una qualità stabile del tubo in carbonio.

Dopo l'avvolgimento, il tubo in carbonio con mandrino viene inserito nel forno di polimerizzazione e curato a una temperatura di 100-150 °C per 1-3 ore.

Al termine della polimerizzazione, il mandrino viene rimosso. Il metodo di rimozione dipende dal materiale e dalla forma del mandrino: alcuni possono essere estratti direttamente, mentre altri devono essere sciolti ed eliminati. Infine, il tubo in carbonio viene rifinito e lucidato in modo da mantenere l'errore dimensionale entro 0,05 mm.

Parti sagomate (stampaggio)

Per parti sagomate in fibra di carbonio con forme complesse, si utilizza comunemente il processo di stampaggio, impiegato prevalentemente per componenti automobilistici, parti per apparecchiature mediche, ecc.

Innanzitutto, in base alla forma dei pezzi stampati, progettare e realizzare stampi di alta precisione, la rugosità superficiale dello stampo deve essere controllata al di sotto di Ra0,8, poiché la precisione dello stampo influisce direttamente sulla precisione dimensionale e di forma dei pezzi stampati.

Tagliare il tessuto in fibra di carbonio o il feltro in fibra di carbonio alle dimensioni adatte alla forma dello stampo, applicare uniformemente il materiale matrice sulla sua superficie per garantire uno spessore costante, quindi inserirlo nello stampo ed esercitare una pressione di 10-20 MPa mediante una pressa, in modo che il materiale in fibra di carbonio aderisca completamente alla cavità dello stampo.

Inserire lo stampo nel dispositivo di riscaldamento, riscaldare e polimerizzare a una temperatura compresa tra 130 e 170 °C per 3-6 ore; durante il processo di polimerizzazione è necessario controllare rigorosamente temperatura e pressione, per evitare difetti come bolle, crepe e altri difetti nei pezzi stampati.

Al termine della polimerizzazione, le parti sagomate vengono estratte dagli stampi e trattate rimuovendo le sbavature e carteggiando le superfici per renderle conformi ai requisiti d'uso.

Tecnologia Emergente

1. Stampa 3D

Questa tecnologia può produrre direttamente forme complesse di prodotti in fibra di carbonio, riducendo notevolmente il ciclo di sviluppo del prodotto e permettendo anche una personalizzazione su misura. Tuttavia, attualmente i prodotti in fibra di carbonio ottenuti con la stampa 3D presentano ancora un certo scarto nelle proprietà meccaniche rispetto ai prodotti realizzati con processi tradizionali, e i costi sono relativamente elevati; questi aspetti devono essere ulteriormente migliorati.

2. Tecnologia RTM

Cioè, la tecnologia di modellatura con trasferimento di resina, consiste nell'inserire il materiale di rinforzo in fibra di carbonio nello stampo e successivamente iniettare la resina nello stampo, in modo che la resina penetri nel materiale di rinforzo e si solidifichi. Questa tecnologia presenta vantaggi come elevata efficienza di stampaggio, qualità del prodotto stabile, bassa inquinamento ambientale, ecc. È molto adatta per la produzione in serie di prodotti in fibra di carbonio con forme complesse.

Controllo qualità: garantire la qualità di ogni prodotto

Dopo la realizzazione dei prodotti in fibra di carbonio, devono essere sottoposti a rigorosi test di controllo qualità prima di entrare sul mercato. I test principali includono precisione dimensionale, qualità estetica e proprietà meccaniche.

Per i test di accuratezza dimensionale si possono utilizzare calibri, proiettori e altri strumenti; per requisiti di alta precisione del prodotto, si impiega anche il CMM; i test sulla qualità estetica hanno principalmente lo scopo di verificare la presenza di bolle, crepe, avvallamenti o altri difetti sulla superficie del prodotto, generalmente mediante un'ispezione visiva combinata all'uso della lente d'ingrandimento; i test sulle proprietà meccaniche richiedono l'utilizzo di macchine per prove di trazione, macchine per prove d'urto e altre apparecchiature professionali, al fine di misurare parametri come resistenza, rigidità, tenacità e altri indicatori, garantendo che il prodotto soddisfi le esigenze relative alle sollecitazioni nell'uso reale. I test sulle prestazioni meccaniche richiedono l'uso di macchine per prove di trazione e altre attrezzature specializzate per valutare resistenza, rigidità, tenacità ed altri parametri, assicurando che il prodotto sia in grado di sopportare le forze previste nell'impiego effettivo. Solo i prodotti che superano positivamente tutti i test previsti possono essere immessi sul mercato.

Per i test sulla precisione dimensionale si possono utilizzare calibri, proiettori e altri strumenti; per requisiti di alta precisione del prodotto, si utilizza anche la macchina di misura tridimensionale (CMM); i test sulla qualità estetica hanno principalmente lo scopo di verificare se sulla superficie del prodotto siano presenti bolle, crepe, ammaccature o altri difetti, generalmente mediante un'ispezione visiva combinata all'uso della lente d'ingrandimento; i test sulle proprietà meccaniche devono essere eseguiti mediante apparecchiature professionali come macchine per prove di trazione e macchine per prove di impatto, al fine di valutare parametri quali resistenza, rigidità, tenacità e altri indicatori, garantendo che il prodotto soddisfi le richieste relative alle sollecitazioni in condizioni di utilizzo reale. I test sulle prestazioni meccaniche richiedono l'uso di macchine per prove di trazione e altre attrezzature specializzate per verificare resistenza, rigidità, tenacità ed altri parametri, assicurando che il prodotto sia conforme ai requisiti derivanti dalle sollecitazioni operative effettive. Solo i prodotti che superano positivamente tutti i test previsti possono essere immessi sul mercato.