S. Pappadà, M. Arganese, G. Buccoliero, U. Raganato- CETMA Advanced Materials & Processes Consulting Department
Introduzione
Cultura tecnologica e conoscenza dei materiali compositi rappresentano una delle principali sfide con cui l’industria aerospaziale si confronta.
Storicamente l’utilizzo di materiali compositi nel settore aerospace non è stato sempre guidato da un’effettiva riduzione dei costi del materiale o del processo di lavorazione, in quanto i progettisti di aeromobili hanno spesso effettuato le scelte progettuali per ridurre il consumo di carburante, o per aumentare il carico pagante delle aerostrutture.
L’industria aerospaziale attualmente è focalizzata sull’utilizzo dei materiali compositi a matrice termoindurente per una serie di ragioni legate principalmente agli enormi investimenti effettuati dagli anni ’60 ad oggi in termini di proprietà intellettuale su materie prime, tecnologie e attrezzature di trasformazione [1].
Nello specifico l’industria aerospace risulta essere ancora vincolata a processi tecnologici time-consuming quale quello dell’autoclave, che richiedono elevati investimenti iniziali e notevoli costi ricorrenti, oltre che il significativo utilizzo di manodopera specializzata [2].
Per sfruttare appieno le proprietà dei materiali compositi per il futuro sviluppo di velivoli è necessario quindi concentrarsi sulla riduzione dei tempi di produzione innovando e sviluppando materiali e processi in cui si potranno utilizzare tecnologie ad elevata produttività ed automatizzabili. In quest’ottica un’attenzione particolare va rivolta all’utilizzo di materiali termoplastici, con proprietà tecnologiche e performance in molti casi superiori a quelle dei termoindurenti, caratterizzati da tempi ciclo più bassi, che rendono più sostenibile il processo di trasformazione, avendo al contempo l’enorme potenzialità di poter essere riparati e riciclati.
Non meno importante è la loro proprietà intrinseca di poter essere saldati, che permette di ridurrei tempi di assemblaggio attraverso tecnologie innovative come la saldatura ad induzione, attraverso la quale è possibile assemblare componenti di geometria più semplice prodotti con tecnologie Out of Autoclave (OoA, e.g. stampaggio compressione), rendendo cost-effective, affidabile e ripetibile l’intero processo di produzione dei componenti in materiale composito (assemblaggio di ribs, elementi di irrigidimento ecc.).
Le attuali tecnologie di trasformazione dei materiali compositi termoplastici però sono ancora in molti casi vincolate all’utilizzo di processi di autoclave o processi OoA che possono risultare time consuming (autoclave e stampaggio a compressione isotermo) e che vincolano le dimensioni del componente alle dimensioni dell’impianto (stampaggio a compressione isotermo e non isotermo, e.g. dimensione piatti della pressa).
Un processo che permette di superare le criticità sopra riportate è il processo di Continuous Compression Molding (CCM), mediante il quale è possibile ottenere componenti di lunghezza elevata, aventi geometrie tipiche dello stampaggio a compressione isotermo (lastre piane) e non isotermo (stringer a L, omega, zeta, C ecc..), riducendo notevolmente i tempi di processo e senza essere vincolato alle dimensioni e alle caratteristiche dell’impianto di produzione. Il processo di CCM permette inoltre la produzione di laminati pre-consolidati piani da utilizzare come carica per il processo di stampaggio a compressione non-isotermo, rendendo quest’ultimo più competitivo rispetto allo stato attuale in quanto si riduce notevolmente il costo di produzione delle cariche piane, passando dallo stampaggio a compressione isotermo al processo di CCM.
Descrizione attività di produzione componenti in composito mediante CCM
CETMA ha sviluppato il processo CCM andando a realizzare diversi laminati piani e stringer in lunghe attività R&D, in cui oltre a significative esperienze in laboratorio è stato utilizzato il metodo agli elementi finiti per ottimizzare i parametri del processo CCM: si segnala che trattandosi di un processo in continuo è stato necessario considerare la variabile tempo, effettuando complesse analisi termiche in regime transitorio. Nel corso delle attività di ricerca e sviluppo del processo CCM sono stati prodotti laminati piani, stringer a L e stringer a omega, aventi uno spessore variabile da 5-10 mm a seconda del componente realizzato e prodotti a partire da un UD tapes PEKK/carbonio forniti da Tejin Toho Tenax (TENAX®-E TPUD PEKK-1-34-HTS45 P12 12K–UD-194) e Cytec (APC (PEKK-FC)).
Tra le attività più interessanti dell’ultimo periodo, nell’ambito del progetto europeo KEELBEMAN (Clean Sky 2-Programma H2020), CETMA ha realizzato una porzione di keel Beam, in cui tutti i sub-componenti sono stati realizzati mediante CCM e saldati attraverso la tecnologia di Induction Welding.
Descrizione processo CCM
Durante il processo CCM il materiale avanza attraversando diverse zone dello stampo mediante cicli di apertura e chiusura della pressa, i principali step del processo CCM sono di seguito elencati (da sinistra a destra nella figura 1)
• La linea è alimentata da rotoli di semipreg di UD tape;
• I layers sono debitamente compattati e pre-formati attraverso una serie di rulli e preriscaldati con lampade IR, nel caso di laminati piani i cilindri presentano un profilo piatto;
• Il materiale entra nella prima parte dello stampo riscaldato a una temperatura superiore alla temperatura di fusione della matrice;
• Il materiale, completamente fuso, viene consolidato nella seconda parte dello stampo, applicando una pressione tale da garantire la completa impregnazione del rinforzo, inoltre in questo step avviene al formatura finale del componente;
• Il componente formato, attraversando la terza regione dello stampo, viene raffreddato sotto la temperatura di fusione della matrice: in questo step avviene il consolidamento definitivo del componente.
Il punto chiave del processo appena descritto risiede nella progettazione dello stampo al fine di garantire i profili di temperatura e pressione nelle diverse zone, di assicurare i corretti parametri di processo ed ottenere un ottimale grado di consolidamento del componente insieme al grado di cristallinità desiderato.
Oltre alla possibilità di produrre componenti di lunghezza elevata, evitando di ricorrere ad attrezzature costose, il processo descritto presenta una serie di vantaggi rispetto al tradizionale processo di stampaggio a compressione non isotermo; vantaggi che sono di seguito riportati e che si traducono in una minimizzazione dei difetti, in proprietà meccaniche migliorate, maggiore affidabilità ed elevata ripetibilità:
• Non è necessario surriscaldare il materiale prima dell’ingresso all’interno dello stampo (step necessario nel processo di stampaggio a compressione non-isotermo per compensare la caduta di temperatura dovuta al trasferimento del blank dal forno alla pressa), minimizzando pertanto il rischio di degradazione della matrice;
• Controllo accurato della temperatura del materiale;
• Possibilità di applicare la pressione sul materiale debitamente riscaldato al di sopra della temperatura di fusione (minima viscosità), garantendo un impregnazione ottimizzata delle fibre.
Relativamente alla possibilità di produrre preforme piane, da utilizzare come carica nel processo di stampaggio a compressione non isotermo, il processo CCM si candida ad essere una valida alternativa al tradizionale processo di stampaggio a compressione isotermo, soprattutto quando vengono processati tecnopolimeri come PEEK, PEKK, PPS per i quali è necessario raggiungere elevate temperature di processo e controllare opportunamente la fase di raffreddamento per ottenere il massimo grado di cristallinità, operazioni che richiedono tempi ciclo estremamente lunghi se condotte con lo stampaggio a compressione isotermo. Nella tabella 1 viene riportato il confronto in termini di rate produttivo tra lo stampaggio a compressione isotermo e il CCM relativamente alla produzione di cariche piane e stringer di diverse geometrie.
Attività sperimentali
Il materiale utilizzato durante le attività di ricerca e sviluppo del processo CCM è stato un UD tape in fibra di carbonio con matrice in PEKK fornito da Tejin Toho Tenax (TENAX®-E TPUD PEKK-1-34-HTS45 P12 12K–UD-194) e da Cytec (APC (PEKK-FC)).
Lo stampo CCM è stato validato dal punto di vista termico mediante indagine termografica, che ha permesso di verificare il rispetto dei profili termici impostati nelle diverse zone. In figura 2 è riportata la scansione termografica effettuata sui due semistampi, dalla quale si evince l’accurato controllo delle temperature, evidenziato dalla netta separazione tra le zone più calde di pre-riscaldamento e consolidamento (a sinistra) e quella di raffreddamento (a destra).
Le attività sperimentali hanno riguardato la realizzazione di pannelli piani per la messa a punto dei parametri di processo; attraverso i suddetti test è stato possibile massimizzare la velocità di linea (≈30 kg/h), garantendo al tempo stesso elevate proprietà meccaniche ed un contenuto di vuoti quasi nullo.
Il processo è stato successivamente validato mediante un’estesa campagna di caratterizzazione fisico-meccanica su coupon estratti dai pannelli piani realizzati. Nell’immagine in figura 3 si riporta un pannello piano realizzato per CCM, da cui sono stati estratti i provini da testare per la validazione del processo.
I risultati delle scansioni calorimetriche DSC hanno mostrato il raggiungimento della massima frazione ottenibile della fase cristallina.
I risultati dell’attività di caratterizzazione meccanica hanno restituito un KO factor > 95%, inoltre i laminati sono caratterizzati da un contenuto di vuoti quasi nullo, paragonabile a quello ottenibile con il processo di autoclave, come si evince dalla micrografia della sezione mostrata nella figura 4 e dalla ricostruzione 3D della scansione micro-CT effettuata su un campione di laminato (figura 5), che restituisce un valore pari a 0.25 %.
Utilizzando i parametri di processo messi a punto nell’attività precedentemente descritta, sono stati realizzati alcuni dimostratori tecnologici (lastre piane, stringer a L e Ω), le cui fasi di processo insieme alle foto dei componenti finali sono riportati nelle figure 6,7. Successivamente i suddetti componenti sono stati assemblati mediante la tecnologia di induction welding, per realizzare una struttura primaria a sezione chiusa riportata in figura 8.
Conclusioni
CETMA ha messo a punto il processo di continuous compression molding nell’ambito di una serie di attività di ricerca e sviluppo, accogliendo la sfida di offrire all’industria aerospace processi OoA e cost-effective che permetteranno, se opportunamente sviluppati, di superare gli attuali ostacoli, che limitano l’utilizzo di materiali compositi termoplastici per la realizzazione di strutture primarie, attualmente non economicamente sostenibili in quanto vincolati ai processi di trasformazione tradizionali. Attualmente CETMA è coinvolta nello sviluppo di nuove attrezzature di CCM con elevato grado di automazione (per la produzione di stringer e laminati piani) e nella fornitura di stringer con diversa sezione con lunghezza superiore ai 5 metri.
