Lavorazione fibra di carbonio e campi di applicazione

La fibra di carbonio: come ottenere un materiale composito con caratteristiche di resistenza eccezionali

Per definizione un materiale composito ha caratteristiche proprie che non sono uguali a quelle dei materiali che lo compongono, presi individualmente.

Generalmente in un materiale composito una fibra o una particella (detta di rinforzo) è unita – o per meglio dire tenuta insieme – da una matrice, sia essa un polimero (ovvero una materia plastica), un metallo o una ceramica. Da questo connubio si ottiene un materiale nuovo le cui proprietà di resistenza, efficienza e tenuta sono potenziate.

La fibra più conosciuta è probabilmente la fibra di vetro, che deve la sua fama alla leggerezza. Anche la fibra di aramide (kevlar) è largamente impiegata per ottenere materiali compositi ma la fibra di carbonio, la cui caratteristica principale è data dalla resistenza, risulta il componente di rinforzo più versatile.

La fibra di carbonio si può definire un materiale di alte prestazioni perché ha caratteristiche migliori rispetto ad altri materiali, per esempio alluminio, acciaio, plastica ma anche legno. Dalla lavorazione del carbonio si ottengono prodotti più leggeri e più performanti.

Nel confronto con altri materiali, la fibra di carbonio presenta un’elevata resistenza meccanica (trazione, compressione, flessione), bassa densità, resistenza a variazioni di temperatura e all’effetto di agenti chimici, capacità di isolamento termico e buone proprietà ignifughe.

Queste caratteristiche hanno contribuito alla diffusione di un materiale composito e versatile in campi di applicazione sempre crescenti.
La fibra di carbonio è un materiale realizzato appunto in carbonio che ha una struttura filiforme e molto sottile. Per procedere con la sua lavorazione le fibre vengono intrecciate in modo da realizzare una sorta di tessuto in carbonio con il quale ottenere il materiale composito desiderato.

La fibra di carbonio è un materiale realizzato appunto in carbonio che ha una struttura filiforme e molto sottile. Per procedere con la sua lavorazione le fibre vengono intrecciate in modo da realizzare una sorta di tessuto in carbonio con il quale ottenere il materiale composito desiderato.

La lavorazione del carbonio, quali sono le possibilità

Nella produzione di parti o oggetti in materiali compositi ottenuti a partire da fibre di carbonio le lavorazioni si articolano in modo diverso.

Tutti prevedono l’utilizzo di resine (per esempio resina epossidica, poliestere, vinilestere) e contemplano un processo di laminazione.

A seconda delle necessità da un tipo di lavorazione si può ottenere un singolo pezzo o prevedere una produzione in lotti. Per questo motivo i tempi di ciclo hanno un range piuttosto consistente, si va da una a centocinquanta ore, tenendo in considerazione dimensioni e misure ma anche complessità e dettagli.

Nella produzione di materiali fibrorinforzati (FRP), come i materiali compositi ottenuti dalla fibra di carbonio, si procede laminando i singoli strati uno per uno.
La scelta di un processo di laminazione influenza le caratteristiche ultime del prodotto finito.

Per la lavorazione della fibra di carbonio si può ricorrere a tre diversi processi:

• la wet lay-up o laminazione a umido;
• la laminazione pre-preg;
• lo stampaggio RTM o stampaggio a trasferimento resina.

Laminazione a umido

Con la terminologia “a umido” si intende il processo di laminazione, definito anche wet lay-up.
In questo tipo di lavorazione la fibra di carbonio viene prima tagliata e successivamente stesa all’interno dello stampo in cui viene applicata la resina con un pennello, una pistola a spruzzo o un rullo.

Si tratta di un processo di laminazione che non prevede attrezzature specifiche se non lo stampo per la realizzazione secondo quanto richiesto. Per ottenere pezzi di alta qualità lavorando con la laminazione wet lay-up occorrono competenze specifiche ma il processo di per sé non è troppo costoso.

Con questo tipo di lavorazione non è richiesta la cottura, non avviene alcun tipo di riscaldamento della fibra, è un procedimento che, proprio per la sua semplicità, non è però adatto alla produzione di un gran numero di pezzi.

Laminazione pre-preg

Quando si lavora la fibra di carbonio con laminazione pre-preg si intende che questa viene impregnata di resina epossidica o di altro tipo di resina prima di iniziare la lavorazione vera e propria.
Per evitare però che avvenga la polimerizzazione prima del previsto, i fogli di carbonio preimpregnati vengono conservati a freddo e solo in un momento successivo disposti nello stampo. Il composto nello stampo viene quindi polimerizzato con un processo di cottura in autoclave. Durante questo procedimento gli strati di fibre di carbonio impregnati di resina vengono introdotti nel dispositivo in cui temperatura, vuoto e pressione sono controllati.

Nel processo di polimerizzazione in autoclave sono previste più fasi:

• in quelle dedicate alla temperatura si procede con riscaldamento, mantenimento e raffreddamento;
• nelle fasi di pressurizzazione, mantenimento e scarico si agisce invece sulla pressione.

Il vuoto spinto è una condizione mantenuta in maniera da facilitare l’uscita dell’aria residua tra resina e fibre.

Con la laminazione pre-preg di fatto il vantaggio più grande consiste nella ripetibilità del procedimento in cui elevati standard qualitativi rimangono inalterati. La cottura in autoclave dello stampo consente una polimerizzazione di precisione che permette di ottenere pezzi destinati ad applicazioni di alte prestazioni.

Stampaggio RTM

Un’alternativa con standard qualitativi analoghi e particolarmente indicata per la produzione su larga scala di parti in materiale composito a partire dalla fibra di carbonio è il cosiddetto stampaggio a trasferimento resina.

Con l’acronimo RTM (resin transfer molding) si fa rifermento alla tecnica di stampaggio in cui la fibra asciutta e senza essere stata a contatto con la resina viene inserita all’interno di uno stampo composto da due parti.
Per il processo di polimerizzazione lo stampo viene chiuso e sono a questo punto viene iniettata la resina ad alta pressione.

Con una soluzione di questo tipo i risultati sono migliori rispetto ad altri metodi perché lo spessore del prodotto ottenuto è uniforme e la superficie risulta internamente liscia, le proprietà meccaniche sono migliori e nel complesso per necessità produttive di grandi quantitativi il costo per ciascun manufatto risulta conveniente.

La qualità dello stampo e la soluzione a stampa 3D

La qualità del prodotto finale, utilizzando lo stampaggio RTM o la laminazione pre-leg, dipende direttamente dalla qualità dello stampo.

I materiali con i quali uno stampo viene realizzato possono essere i più diversi, dalla schiuma poliuretanica al legno, fino alla cera o al metallo, solo per fare alcuni esempi.

Una soluzione ottimale per gestire la produzione dello stampo viene dalla stampa 3D, che consente di ottenere una riduzione notevole nei tempi di produzione aumentando la flessibilità del design.

La tecnologia della stampa 3D permette di ottenere in tempi brevi uno stampo che presenta caratteristiche geometriche anche complesse e dettagli articolati.

La fibra di carbonio: protagonista non solo del settore aerospaziale

L’impiego della fibra di carbonio oggi va ben oltre i primi campi di applicazione in cui ha trovato il successo, tra cui il settore aerospaziale.

Oggi il suo utilizzo la rende una delle materie prime d’eccellenza in tutti i campi industriali in cui occorre un materiale di elevata resistenza e rigidezza specifica a fronte di un peso minore rispetto ad altri materiali “competitor”.

Nel settore dell’automotive la fibra di carbonio trova un largo impiego, così come nella fabbricazione di materiali sportivi (dalle mazze da golf, agli sci o le racchette da tennis fino alle canne da pesca o ai componenti delle biciclette).

Ancora, le applicazioni commerciali o industriali di questo materiale arrivano per esempio alle macchine stampanti o alle fotocopiatrici. Le specifiche che fanno preferire la fibra di carbonio riguardano il fatto che le componenti realizzate a partire da questo materiale garantiscono la conduttività elettrica, mantenendo la capacità di rinforzo con un peso contenuto.

La versatilità della fibra di carbonio e le differenti possibilità di lavorazione di questo materiale ne determinano il prolungato successo e la conseguente applicazione in campi sempre diversi.