Development of an Innovative Process Technology for the Manufacture of Structural Hybrid Components, Made by Forming and Overmolding of Thermoplastic Matrix Composites

I materiali compositi ibridi sono sempre più impiegati per rispondere alle esigenze lightweight dell’industria automobilistica. Ridurre il peso del veicolo per la riduzione del consumo energetico e le emissioni locali di CO2 è uno degli obiettivi più importanti che le normative regolanti la produzione dei veicoli di traporto richiedono. Al contrario, la sicurezza del guidatore, del passeggero e dei pedoni tende all’incremento dei volumi e generalmente anche il peso del veicolo. Al fine di aumentare la rigidezza, la resistenza e l’assorbimento di energia del corpo del veicolo, ogni parte deve assolvere specifiche funzioni e deve essere progettata con diverse proprietà meccaniche. Un ulteriore aspetto legato all’emissione di CO2 e alla sicurezza ambientale è il trattamento del veicolo a fine vita, anch’esso regolamentato, che richiede elevate percentuali di recupero e riutilizzo dei materiali. I compositi termoplastici sono largamente utilizzati dall’industrial automobilistica per la loro elevata processabilità e per la più facile riciclabilità se comparati con i compositi termoindurenti. Inoltre, garantiscono una libertà di design superiore. Queste caratteristiche rendo i materiali termoplastici degli ottimi candidati alla sostituzione di parti in metallo. I materiali termoplastici possono essere rinforzati con cariche di diverso genere, siano esse continue o discontinue, corte o lunghe. Le fibre di rinforzo rivestono un ruolo fondamentale nella diversificazione delle proprietà del materiale e quindi della parte che costituiscono. Per esempio, le proprietà di resistenza all’impatto sono fortemente connesse alla lunghezza del rinforzo, mentre la resistenza a trazione e il modulo elastico ne sono meno sensibili. Quando variando le tipologie di matrice e di carica non vi è possibilità di incrementare ulteriormente le proprietà dei compositi termoplastici, essi vengono combinati con altri materiali mediante giunzioni, basate su diversi meccanismi di adesione, al fine di rispettare i target di progettazione del componente. Nell’ultimo decennio sono state proposte diverse tecnologie basate sul processo di stampaggio ad iniezione per la produzione di parti ibride. Il processo è ampiamente utilizzato per la predisposizione ad elevati volumi produttivi, all’automazione e all’integrazione di varianti che consentono l’in-mold forming (formatura in stampo) e l’in-mold joining (incollaggio, rivettatura o assemblaggio in stampo). I materiali ibridi metallo-plastica sono stati utilizzati per ridurre il numero di giunzioni bullonate e saldature. Una lamiera in metallo che assolve le funzioni prettamente resistenziali è utilizzata come inserto stampo e le nervature di rinforzo vengono sovrastampate per incrementare la rigidezza del componente. Nella medesima fase possono essere ricavati gli elementi per l’assemblaggio con le altri parti dell’assieme. L’adesione tra lamiera metallica e materiale polimerico viene garantita dal bloccaggio fisico dovuto alla rugosità della superficie metallica, che può essere trattata, e dall’impiego di sottosquadri. Durante la fase di iniezione, il materiale fuso riempie la cavità e, dopo il raffreddamento della parte, lavora come un sistema di rivetti. Tuttavia, trattamenti della superficiali come sabbiatura, foratura, ablazione laser o attivazione con plasma, sono preferibili per la preparazione della superficie dell’inserto e sono necessari all’incremento dell’adesione. Diversamente, quando adesivi termoindurenti o bicomponenti vengono utilizzati per la giunzione primaria, il processo viene chiamato in-mold bonding. L’adesivo, che può essere mono-componente come i cianoacrilati, bi-componente come le colle epossidiche o un mix dei due, è applicato sull’inserto prima del sovrastampaggio. Il suo tempo di reticolazione deve essere sufficientemente rapido per non incidere sul tempo ciclo del processo di stampaggio e garantire l’elevata produttività. Molto recentemente, la tecnologia in-mold forming, anche conosciuta come FiberForm, Organomelt o Organo Sheet Injetion (Iniezione di fogli organici), è stata proposta per la fabbricazione di compositi ibridi termoplastici. In particolare, un guscio termoformato rinforzato con fibre continue, viene irrigidito da un sistema di nervature sovrainiettate. La tecnologie permette di accoppiare direttamente i processi di termoformatura e di stampaggio ad iniezione. L’adesione tra le due parti avviene grazie all’interdiffusione delle macromolecole attraverso l’interfaccia. La saldatura è basata sulla teoria della reptazione ed è promossa dalle elevate temperature di processo al quale le matrici termoplastiche si trovano al momento del contatto. Per materiali semi-cristallini, il grado di adesione è correlato al tempo in cui l’interfaccia permane a temperature superiori alla temperatura di cristallizzazione e di fusione della matrice polimerica. Inoltre, una buona adesione è favorita dalla buona compatibilità chimica delle matrici. Per processi in cui è integrato lo stampaggio ad iniezione, il tempo di permanenza è breve e fortemente non-isotermico. Questo indica che la massima forza di adesione raggiungibile sull’area della saldatura potrebbe essere inferiore a quella delle linee di giunzione di un composito e può teoricamente corrispondere alla resistenza della matrice termoplastica in quanto non vi è interdiffusione del rinforzo. Generalmente, se nei compositi ibridi termoplastici viene ottenuta una buona saldatura, la zona più debole della giunzione si sposta all’interfaccia matrice-tessuto in fibra all’interno del laminato. Conseguenza diretta di questo fenomeno è la presenza di una zona debole in prossimità dell’interfaccia che può essere sede di rottura per delaminazione. La delaminazione in materiali compositi è largamente simulata con modelli coesivi proposti da Dugdale e approfonditi da Berrenblatt. La legge coesiva, che si basa su relazioni di sforzo-spostamento, descrive il danneggiamento dell’interfaccia. Ogni tipo di frattura che implica delaminazione può essere simulato ricorrendo alla più appropriata legge coesiva che richiede una calibrazione sui dati sperimentali. La legge bi-lineare, conosciuta anche come triangolare, è utilizzata per materiali che presentano una rottura fragile, mentre leggi esponenziali e trapezoidali sono più appropriate per descrivere rotture duttili. Anche la legge bi-triangolare può essere utilizzata e in particolare viene impiegata per descrivere la frattura nei materiali compositi dove le fibre che si trovano sulla superficie dell’area costituiscono l’unico collegamento tra le due parti del componente (fiber-bridging). Questo fa sì che dopo l’inizio del danneggiamento e una certa propagazione all’interno del composito, siano le fibre a sopportare il carico così da avere un’ulteriore propagazione che risulta essere meno repentina. Sulla base di quanto è stato esposto, è richiesta una buona progettazione della parte per poter giustificare gli investimenti finanziari per la catena produttiva. Specialmente nei processi che si basano sulla stampaggio ad iniezione e che sono di conseguenza sensibili ai volumi produttivi, la creazione di pre-serie richiede tempo e strumentazioni semi-definitive caratterizzate da costi di produzione non trascurabili. Proprio per questo motivo sono state presentate delle nuove tecnologie, che sono tutt’ora in via di sviluppo, per produzioni individualizzate o customizzate. Per esempio, il progetto LightFlex, finanziato dal ministero federale tedesco per l’educazione e la ricerca, è finalizzato a proporre un’alternativa alla fase di sovrastampaggio ad iniezione. In particolare la parte iniettata viene sostituita da una ottenuta mediante tecniche additive, con i vantaggi ad essa legati, che costituisce la metà stampo inferiore, mentre la metà stampo superiore viene sostituita da una membrana elastomerica che è parte integrante della camera a pressione. Lo stampaggio 3D permette la customizzazione del prodotto, consentendo idealmente di ottenere qualsiasi geometria per l’asservimento di ogni specifica funzione (collegamenti, appendici, ecc.), mentre la camera in pressione provvede alla formatura del laminato termoplastico che viene formato sulla parte sottostante previo riscaldamento localizzato fino a fusione dell’interfaccia. Il progetto è ancora in via di sviluppo e anche in questo caso l’adesione tra le due parti e basata sull’interdiffusione e costituisce uno degli aspetti critici del processo. L’unica alternativa per poter definire le prestazioni della parte è l’ottimizzazione delle simulazioni agli elementi finiti. Per questa ragione, la definizione delle condizioni a contorno, così come la definizione della resistenza dell’interfaccia, diventano di fondamentale importanza. Tuttavia, l’incremento della resistenza della saldatura ottenuto mediante l’ottimizzazione dei parametri di processo consente il miglioramento globale delle prestazioni meccaniche della parte.