Parti in fibra di carbonio

Non tutta la fibra di carbonio è uguale
La maggior parte delle parti in fibra di carbonio iniziano come un panno asciutto, che viene combinato con una resina liquida. La resina polimerizza per formare un polimero solido, consentendo al tessuto di mantenere la sua forma e diventare una parte rigida in fibra di carbonio. La prima cosa da sapere sulla fibra di carbonio è che non tutta la fibra di carbonio è uguale. Questa affermazione non si riferisce ai diversi tipi di trama del tessuto o al numero di fibre come 3k, 6k o 12k, ma piuttosto al tipo di fibra e alla qualità del tessuto stesso.
La fibra di carbonio viene comunemente venduta come un rotolo di tessuto. Esistono molti modelli diversi di trama del tessuto tra cui scegliere per adattarsi a diverse applicazioni. Il tessuto stesso è costituito da fasci di fibre chiamati "tow" che vengono tessuti o cuciti insieme. All'interno di ogni fascio di fibre ci sono singoli filamenti di fibra di carbonio che sono più piccoli di un capello umano. Questi filamenti sono classificati in base al loro grado. Il grado è una parte importante di ciò che determina la resistenza e la rigidità di una parte in fibra di carbonio.
All'estremità inferiore dello spettro c'è la fibra di carbonio di "grado commerciale", che è abbastanza comune. In genere è il costo più basso, ma ha anche una resistenza e una rigidità inferiori rispetto alle fibre di carbonio di qualità superiore. La loro qualità T300, evidenziata in arancione, è spesso considerata una fibra di livello commerciale.
La resina è importante quanto la fibra
Come accennato in precedenza, la fibra di carbonio nasce come un tessuto asciutto e può diventare una parte rigida solo se combinata con una resina sotto forma di materiale composito. Il termine corretto per il componente in resina di un materiale composito è in realtà "materiale matrice" o semplicemente "matrice", ma in questo articolo verrà chiamato resina. Un’analogia semplificata sarebbe quella di confrontare il composito in fibra di carbonio con il calcestruzzo e le armature. Le fibre sopportano carichi di trazione simili alle armature, e la resina consente al tessuto di mantenere la sua forma e sopportare carichi di compressione simili al calcestruzzo. Un ponte o un edificio non sarebbero costruiti solo con cemento o solo con armature. Entrambi sono necessari per raggiungere la piena resistenza richiesta in una struttura.
Nel caso di una parte in fibra di carbonio, lo stesso vale. Senza resina, non sarebbe possibile creare parti rigide in fibra di carbonio. In questo senso, la resina è il vero eroe non celebrato in qualsiasi parte in fibra di carbonio, e la scelta della resina giusta è altrettanto fondamentale quanto la scelta della giusta fibra di carbonio.
È importante non fissarsi solo sulla fibra di carbonio e poi dimenticare quale tipo di resina verrà utilizzata. È stata testata una resina che dichiarava di mantenere una resistenza fino a 300°F, ma quando veniva testata a temperature elevate, si ammorbidiva e consentiva alle parti di piegarsi a temperature fino a 200°F. La fibra di carbonio stava facendo il suo lavoro, ma la resina no.
Le fibre di carbonio possono essere rivestite per migliorare l'adesione
I produttori di fibra di carbonio aggiungono speciali agenti di accoppiamento (noti anche come agenti di "finitura" o "imbozzimatura") ai loro tessuti per aiutare la resina ad aderire ad essi. A seconda della resina selezionata, potrebbe non voler bagnare la fibra di carbonio e legarsi chimicamente ad essa. In linea di principio, questo è simile al modo in cui olio e acqua non si mescolano. Questa stessa situazione sarebbe indesiderabile quando si combinano fibra di carbonio e resina, quindi alle fibre viene applicato un agente di accoppiamento per consentire ai due materiali di lavorare insieme.
La chimica specifica degli agenti di accoppiamento è spesso tenuta segreta dai produttori di fibra di carbonio. Oscureranno il rivestimento specifico e riveleranno invece solo la chimica generale con cui il rivestimento è compatibile. Un esempio che evidenzia la compatibilità dell'agente di accoppiamento è mostrato nel grafico Hexcel sopra. Tieni presente l'agente di accoppiamento quando sperimenti materiali a matrice non convenzionali.
Il processo determina le proprietà
Esistono molti modi diversi per realizzare parti in fibra di carbonio come il wet layup, l'infusione, il preimpregnato o persino la stampa 3D. Tutti questi metodi realizzeranno parti con diversi rapporti fibra/resina e diverse quantità di difetti, che si tradurranno in diverse proprietà di resistenza e rigidità nella parte finale. Anche la temperatura alla quale la parte viene polimerizzata influisce sulle proprietà della parte finale.
Non esiste un approccio ufficiale "migliore" per realizzare una parte in fibra di carbonio. Il metodo migliore dipende in realtà dalla progettazione della parte e dagli obiettivi di produzione. Ci sono pro e contro per ogni metodo.
Ad esempio, la stratificazione a umido è economica e facile da eseguire, ma di solito dà come risultato parti che hanno proprietà fisiche incoerenti e sono generalmente più pesanti rispetto ad altre tecniche di produzione di compositi.
La fibra di carbonio preimpregnata può produrre parti leggere e di alta qualità, ma questo metodo spesso richiede attrezzature più costose come congelatori di stoccaggio e autoclavi. Ci sono anche meno resine e combinazioni di tessuti tra cui scegliere. La resina preimpregnata ha anche una durata di conservazione, il che significa che il materiale preimpregnato può scadere e deve essere scartato se non viene utilizzato entro la sua durata di conservazione
I test fisici sono fondamentali
La fibra di carbonio non è come il metallo. I metalli sono generalmente isotropi, nel senso che hanno le stesse proprietà in tutte le direzioni, il che semplifica la progettazione e l'analisi. Inoltre, le proprietà meccaniche misurate sono ben consolidate per le comuni leghe metalliche. Lo stesso non si può dire per i compositi a causa della loro limitata standardizzazione e dell'ampia gamma di variabili di materiale e processo nei compositi. Ciò significa che è necessario condurre test per verificare che le parti composite soddisfino i requisiti desiderati.
Nel settore aerospaziale, uno dei modi migliori per condurre test sui compositi è seguire l'approccio "building block". Questo metodo inizia testando coupon ed elementi generici per creare un database delle proprietà dei materiali. Questi dati vengono utilizzati per guidare la progettazione e il test di componenti più grandi, quindi di sottoassiemi e infine di strutture complete. Ciascun articolo di prova deve essere rappresentativo dei materiali e del processo utilizzato nella struttura finale.
Si ritiene erroneamente che le parti in fibra di carbonio possano essere convalidate solo attraverso la simulazione. Strumenti di analisi come l'analisi degli elementi finiti (FEA) possono aiutare a guidare la progettazione di parti composite, ma si basano su input di proprietà del materiale che devono essere accurati per ottenere risultati affidabili. Il modo migliore per ottenere numeri accurati per queste variabili di input è attraverso test fisici su campioni compositi rappresentativi. Senza input accurati, i risultati dell’analisi avranno un’utilità limitata. È necessario aggiungere ampi margini di sicurezza a un progetto per tenere conto della quantificazione grezza delle proprietà dei materiali. Ciò aggiunge peso, vanificando in primo luogo uno dei motivi principali per cui vengono selezionati i materiali compositi. Pertanto, non esiste realmente alcun modo per eliminare completamente i test fisici dal processo di progettazione di una struttura composita ottimizzata.