La cottura dei primi telai in carbonio della Ferrari

Rubrica: Che cos’è un’autoclave?

Titolo o argomento: La cottura dei primi telai in carbonio della Ferrari

Le scocche delle Ferrari 126 C3 e 126 C4 utilizzavano pannelli composti da due strati di fibre (carbonio e kevlar) con all’interno una struttura a nido d’api. All’interno dell’autoclave veniva posto lo stampo del pezzo da cuocere; al suo interno veniva stesa la prima pelle di fibra, il materiale a nido d’api ed infine la seconda pelle. Lo stampo veniva sigillato con una sorta di sacco di plastica a tenuta stagna. Tramite una presa d’aria veniva ottenuto il vuoto all’interno del sacco. Il ciclo termico durava dalle due ore e mezzo alle sei ore a seconda della sua complessità. Opportune sonde venivano posizionate lungo l’intero pezzo da cuocere per poter verificare la temperatura nei vari punti. Il buon bilanciamento delle variabili vuoto pressione temperatura permetteva (e permette tutt’ora) di ottenere precisioni dimensionali notevoli. In breve ecco le tre fasi del processo di cottura adottato per le Ferrari 126 C3 e 126 C4:

1. Si parte con una pressione di meno un’atmosfera (-1 kg/cm2) che agisce sul pezzo mentre la temperatura è quella ambientale. Per alcuni minuti viene aumentata la pressione e si controlla se ci sono perdite. Successivamente si inizia a scaldare l’autoclave. La temperatura sale, la resina si scioglie e bagna il pezzo in tutti i punti. Si stabilizza la temperatura intorno ai 120/180°C che rappresentano il punto di polimerizzazione.

2. Si lasciano costanti i valori di pressione e temperatura in modo tale da spingere la resina in modo uniforme. Questo evita che ci siano dei punti vuoti e dei punti con sovrabbondanza di resina. Anche la pressione elevata aiuta la polimerizzazione.

3. Il pezzo è pronto , la resina è cotta, tuttavia è ancora debole. Si procede quindi ad un leggero raffreddamento totale e ad estrarre il pezzo dall’autoclave. La durata del ciclo, oltre che dalla complessità del pezzo, dipende dal materiale adottato per realizzare lo stampo.

La tecnica descritta risale ad oltre 20 anni fa. Sebbene la fisica e la chimica non siano cambiate in questo intervallo di tempo, molti dettagli di questo processo si sono affinati ed evoluti. Alcune aziende descrivono tranquillamente i loro procedimenti attuali, altre preferiscono tenere per sé un metodo corretto in base alle loro conoscenze.

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La prima autoclave della Ferrari

Rubrica: Che cos’è un’autoclave?

Titolo o argomento: La prima autoclave della Ferrari

Nell’immagine in basso il soggetto è la prima  autoclave (o probabilmente una delle prime) della Ferrari. In essa vennero per così dire “cotti” i primi telai in fibra di carbonio e kevlar nati dalla casa di Maranello. Per motivi facili da immaginare, la Ferrari decise di realizzare e sviluppare tali telai da sola e per tali ragioni, invece di rivolgersi a terzi, fece un balzo tecnologico in avanti acquistando la sua prima autoclave a pochi metri dalla sua fabbrica presso una ditta che realizza essicatoi per salumi. Siamo nell’epoca delle Ferrari 126 C3 – 126 C4.

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Proprietà di alcune fibre e matrici polimeriche

Rubrica: Che cos’è un’autoclave?

Titolo o argomento: Proprietà di fibre e matrici polimeriche per l’autoclave

Nella tabella di seguito troviamo interessanti dati circa le “Fibre” e le “Matrici” attualmente impiegate dall’industria per la realizzazione di materiali compositi. Tali materiali, una volta dosati, vengono per così dire “cotti” all’interno di un’autoclave secondo i metodi esplicati nei precedenti articoli di questa rubrica. (Digita Autoclave all’interno della casella di ricerca in alto a destra) .

L’impiego di tali materiali spazia nei più disparati settori. Si va dall’Aeronautico-Aerospaziale per il quale si realizzano: parti di ali e code, fusoliere, antenne, pale di elicottero, carrelli di atterraggio, sedili, pavimenti, pannelli interni, serbatoi, involucri esterni… Passando per il settore automobilistico: parti di carrozzeria, cabine per camion, spoilers, quadri comandi, paraurti, organi di trasmissione, ingranaggi, cuscinetti… Spaziando poi nel mondo Navale-Marino con: scafi, ponti, alberi, vele, profili strutturali, sagole di salvataggio, boe, protezioni per motori, pannelli interni… Non è da meno il settore edile nel quale trovano largo impiego di materiali composii: passerelle e ponti per traffico leggero, condotte sotterranee, recinzioni, profili strutturali, corrimano, ringhiere, grondaie, profili per finestre, elementi di rinforzo e recupero edilizio… Ottimo l’abbinamento anche tra lo sport ed i materiali compositi nel quale se ne fa un grande uso per la realizzazione di: mazze da golf, racchette da tennis, elmetti protettivi, sci, tavole da surf, snow board, archi e frecce, biciclette, canne da pesca, canoe, piscine, componenti per caravan roulottes…

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Proprietà di alcune fibre e matrici polimeriche

La fibra di carbonio è un tessuto…

…e chi la lavora è come un sarto

Se prendete un fazzoletto di stoffa e lo stendete bene su un tavolo noterete alcune cosette interessanti provando a tirarlo prima nel senso dell’ordito, poi nel senso della trama ed infine in diagonale. Tirandolo nel senso dell’ordito riscontrerete una grande resistenza e rigidezza. Tirandolo nel senso della trama la sia resistenza che rigidezza saranno assai inferiori al caso precedente. Infine, tirando in diagonale, troverete resistenza e rigidezza pressochè nulle…

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Il motivo risiede nel fatto che sia nel senso dell’ordito che in quello della trama, si tirano i fili per pura sollecitazione di trazione mentre tirando in diagonale si ha la deformazione di una serie di mini parallelogrammi che, da quadrati, diventano romboidali.

I sarti conosco molto bene queste proprietà dei tessuti infatti quando vogliono ottenere un vestito dalle forme rigide e squadrate, tagliano la stoffa per dritto; al contrario quando vogliono ottenere forme morbide, flessuose, la tagliano di sbieco.

Il telaio di una monoposto è fatto in fibra di carbonio che è un tessuto… Esso presenta esattamente le caratteristiche di cui abbiamo parlato brevemente sopra. Non l’avreste mai detto eh?

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Trattamenti superficiali: Compattazione isostatica HIP

Rubrica: Trattamenti superficiali

Titolo o argomento: Migliorare le proprietà meccaniche delle superfici dei metalli

Compattazione isostatica (H.I.P. Hot Isostatic Pressing)

Trattasi di un processo le cui finalità sono l’effettiva pressatura o compattazione isostatica a caldo per densificare strutturalmente componenti ottenuti per fusione e colata, ma anche elementi sinterizzati o solo presinterizzati, prodotti con diverse tecnologie di messa in forma tramite polveri metalliche. Il pezzo da trattare viene posto in uno speciale contenitore (autoclave) dove sarà portato ad una temperatura di 1400°C ed un’elevatissima pressione di 1000 bar in un’atmosfera di Argon. La compattazione isostatica a caldo viene utilizzata per ottimizzare ed omogeneizzare le strutture di componenti fusi, che risultino strutturalmente non omogenei e con difettosità microstrutturali interne più o meno diffuse. Questi difetti sono difficilmente rilevabili, se non attraverso specifici e dispendiosi controlli visivi e radioscopici (es. RX grafia e scopia ) i quali non risolvono la condizione strutturale difettosa rilevata e quindi la necessità di dover poi praticare conseguentemente la inevitabile demolizione fisica degli scarti rilevati, oltre ai dispendiosi tempi di controllo. Grazie a questo trattamento è possibile ottenere:

Maggiori resistenze dinamiche e statiche.
Valori di allungamento percentuale e resistenza a rottura più elevati.
Maggiore durata funzionale del componente in opera.
Maggiore uniformità nel complesso delle caratteristiche meccaniche.
Superfici assolutamente prive di porosità dopo la lavorazione meccanica.
Condizione strutturale omogenea ed uniforme di tutto il lotto di pezzi trattati.
Validità che può trovare conferma attraverso gli standard radiografici.
Dati sicuri e coerenti per la costruzione e la loro messa in opera.
Drastica riduzione dello scarto dei grezzi di fusione.

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Trattamenti superficiali: Sinterforgiatura

Rubrica: Trattamenti superficiali

Titolo o argomento: Migliorare le proprietà meccaniche delle superfici dei metalli

Sinterforgiatura

Processo che prevede una prima fase di sinterizzazione (vedi nei “Link Correlati” i Trattamenti Termici) per ottenere un grezzo il quale successivamente viene compattato in uno stampo di precisione di forma prossima a quella finale. Tale processo aumenta la densità strutturale del materiale con le ovvie e conseguenti migliori prestazioni meccaniche.

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Trattamenti superficiali: Rivestimenti sintetici

Rubrica: Trattamenti superficiali

Titolo o argomento: Migliorare le proprietà meccaniche delle superfici dei metalli

Rivestimenti sintetici

I rivestimenti sintetici sono applicabili, praticamente su tutti i pezzi, tramite: pennelli, spatole, immersione, rivestimento con pellicole, trattemento elettrostatico delle superfici, tramite fiamma o sinterizzazione a vortice. Sinterizzazione a vortice: il pezzo viene preriscaldato a 300°C e mantenuto in un vortice di polvere di materiali sintetici provocato da un flusso d’aria messo in pressione. La polvere si deposita sul pezzo e forma un rivestimento plastico efficace contro la corrosione o come isolamento fonico, termico, elttrico o, addirittura per motivi estetici.

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Trattamenti superficiali: Trattamento laser

Rubrica: Trattamenti superficiali

Titolo o argomento: Migliorare le proprietà meccaniche delle superfici dei metalli

Indurimento superficiale con trattamento laser

Trattamento adottato in caso di superfici particolarmente complesse. E’ importante notare che in seguito a tale trattamento, nonostante le superfici ottengano una maggiore durezza, possono comunque essere lavorate alle macchine utensili.

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Trattamenti superficiali: Riporto ceramico

Rubrica: Trattamenti superficiali

Titolo o argomento: Migliorare le proprietà meccaniche delle superfici dei metalli

Riporto ceramico

I materiali ceramici possono essere proiettati con processi chimici. Essi aderiscono per incatenamento sulla superficie del pezzo. Le applicazioni in ceramica servono a proteggere dal calore, dalla corrosione e dall’usura.

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