Progettazione e produzione di parti in materiale composito

La produzione di materiale composito è diversa da quella tradizionale in diversi aspetti importanti. La produzione di materiale composito utilizza piani di materiali diversi, come polimeri, metalli, ceramiche e carbonio, incorporati in una matrice di resina per creare un materiale con caratteristiche specifiche. La produzione tradizionale, invece, prevede normalmente di modellare, tagliare o formare un singolo materiale nel prodotto desiderato. Altre differenze riguardano la composizione del materiale, le proprietà del materiale, le tecniche di lavorazione, la flessibilità del progetto, il rapporto resistenza-peso, i costi e i ritmi di produzione.

Nella progettazione, i materiali compositi si riferiscono a materiali ingegnerizzati che comprendono due o più componenti distinti con proprietà diverse, combinati per conseguire specifiche caratteristiche di prestazioni. Questi componenti includono normalmente una fase di rinforzo (come fibre o particelle) e una matrice (solitamente un polimero o una resina). I materiali compositi sono noti per il loro eccezionale rapporto forza-peso, la resistenza alla corrosione e le proprietà meccaniche personalizzate, che li rendono indispensabili in diversi settori, tra cui quello aerospaziale, automotive, energetico e delle attrezzature sportive. Selezionando strategicamente i materiali e configurando la loro disposizione, i progettisti possono creare materiali compositi con caratteristiche personalizzate, migliorando l'integrità strutturale e riducendo il peso, requisiti strategici nella progettazione tecnica e nello sviluppo prodotto di oggi. I materiali compositi permettono ai progettisti di spingersi oltre i confini dell'innovazione e dell'efficienza.

La fabbricazione di materiali compositi è il processo di definizione delle istruzioni dettagliate per la produzione di parti in materiale composito, compresa la generazione di anime, singoli piani di strati piatti, transizioni, drappeggi e splicing. Il CDMA offre tutto questo, oltre al supporto per la generazione automatica di ply book, perfettamente integrato nell'ambiente di progettazione Creo. Permette un controllo preciso delle proprietà dei materiali, consentendo la creazione di prodotti resistenti, durevoli e versatili.

La scelta del materiale composito dipende dall'applicazione specifica e dalle proprietà richieste, come resistenza, peso, durabilità e considerazioni ambientali. La versatilità dei materiali compositi li rende preziosi in diversi settori, da quello aerospaziale e automotve a quello dell'edilizia e delle attrezzature sportive.

• Fibra di carbonio: un materiale leggero ed estremamente resistente, composto da fibre sottili formate principalmente da atomi di carbonio. Queste fibre vengono combinate in un materiale composito incorporandole in una matrice polimerica. I materiali compositi in fibra di carbonio sono noti per il loro eccezionale rapporto forza-peso, che li rende ideali per applicazioni che richiedono rigidità e peso ridotto, come nel settore aerospaziale, automotive e delle attrezzature sportive.
• Kevlar: una fibra aramidica sintetica sviluppata da DuPont, rinomata per la sua notevole forza e resistenza al calore. Le fibre di kevlar sono spesso utilizzate in applicazioni in cui sono fondamentali un'elevata resistenza alla trazione, all'abrasione e all'impatto. Tra queste vi sono abbigliamento di protezione, giubbotti antiproiettile, guanti e diversi dispositivi di protezione.
• Fibra di vetro: un materiale composito costituito da sottili fibre di vetro incorporate in una matrice polimerica, in genere resina epossidica o poliestere. È apprezzato per la sua elevata resistenza, la sua leggerezza e la resistenza alla corrosione. La fibra di vetro è comunemente utilizzata nell'edilizia, nella costruzione di imbarcazioni, nei componenti di automobili e in diversi beni di consumo, grazie alla sua versatilità ed economicità.

Gli utenti di Creo Simulation possono accedere alle proprietà di massa delle parti in materiale composito create in fase di progettazione ed eseguire l'analisi strutturale di queste parti complesse, tenendo conto delle caratteristiche dei materiali e dell'orientamento di ogni singolo strato, assicurando che le parti finali soddisfino i requisiti di progettazione. Gli utenti possono utilizzare la funzione di simulazione di drappeggio del software per analizzare la producibilità degli strati e creare serie piatte di strati.

I materiali compositi sono apprezzati per la loro capacità di essere adattati a requisiti specifici e questo li rende una scelta versatile in molti settori in cui i materiali tradizionali possono essere insufficienti in termini di prestazioni, peso o durabilità. L'American Composites Manufacturing Association (ACMA) riporta che l'energia eolica è il principale consumatore (25%), seguita dall'aerospaziale (20%), dagli articoli sportivi/ricreativi (10-12%), dall'automotive (10-12%), dal compounding per le plastiche stampate a iniezione (5-8%), dai recipienti a pressione (5-8%) e da edilizia e infrastrutture (5-8%). Altri segmenti di mercato rappresentano circa il 15% e continuano a crescere grazie all'individuazione di ulteriori applicazioni.

I tre tipi di processi di produzione di materiali compositi sono lo stampaggio aperto, lo stampaggio chiuso e lo stampaggio di polimeri colati. Ciascuno offre i propri vantaggi:

• Lo stampaggio aperto è spesso un metodo economico di fabbricazione di materiali compositi, il che lo rende utile per la creazione di prototipi o l'esecuzione di piccole produzioni. Nello stampaggio aperto, i materiali compositi contenenti resine e rinforzi in fibra vengono posti nello stampo ed esposti all'ambiente dove polimerizzano e si induriscono nel tempo.
• Nello stampaggio chiuso, il composito in fase di produzione viene chiuso dall'ambiente esterno, in genere da un sacchetto sottovuoto o da uno stampo a due lati. Lo stampaggio chiuso consente ai produttori di realizzare parti di alta qualità in modo rapido, coerente e con finiture superficiali migliori. Ciò rende lo stampaggio chiuso adatto per cicli di produzione su larga scala o quando una parte richiede una finitura liscia su entrambi i lati. Creo Composite Design and Manufacturing (CDM) e Creo Composite Design and Manufacturing Advanced (CDMA) sono ideali per la progettazione avanzata di strutture composite, in quanto forniscono un'accurata rappresentazione della geometria solida a partire da layer compositi e creano modelli di riferimento associativi per la fabbricazione.
• Lo stampaggio di polimeri colati comporta il versamento di una miscela di resina e riempitivi, in genere senza rinforzi in fibra, in uno stampo e il successivo indurimento. I polimeri colati sono progettati per soddisfare requisiti di resistenza specifici in base al design finale: possono essere progettati per soddisfare qualsiasi dimensione o forma.