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Plastica fantastica!

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I termoplastici sono ampiamente considerati il futuro dei compositi, ma i tassi di adozione nel mercato aerospaziale sono ancora relativamente bassi. Andy Whitham di Cygnet Texkimp spiega cosa questo settore ha da offrire ai produttori aerospaziali e cosa sta facendo l'azienda per sviluppare le capacità termoplastiche del mercato.

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Cygnet Texkimp è un costruttore di macchine personalizzate specializzato nelle tecnologie di lavorazione delle fibre per i mercati dei compositi, tra cui prepreg, rivestimento, laminazione, taglio e avvolgimento dei filamenti. La nostra azienda è ben nota per le sue macchine per la lavorazione delle fibre di carbonio basate sui principi dei termoindurenti - infatti siamo uno dei maggiori fornitori di tecnologie prepreg per l'industria aerospaziale globale.

Sei anni fa abbiamo iniziato a sviluppare un'alternativa a questa tecnologia utilizzando i termoplastici. La nostra linea di produzione di termoplastici può lavorare una gamma di polimeri, tra cui nylon, carbonio e vetro, fino al PEEK. La tecnologia è stata sviluppata per produrre lastre termoplastiche preimpregnati che possono essere tagliate in nastri e utilizzate per formare strutture mediante l'avvolgimento di filamenti o altri processi di stesura del nastro. Questa lastra termoplastica è complementare ad altre macchine del nostro portafoglio, tra cui l'avvolgimento di filamenti, l'avvolgimento 3D, il taglio e l'automazione (carico e scarico).

Consentire a un numero maggiore di produttori aerospaziali di esplorare i termoplastici è un'area entusiasmante del nostro lavoro, ma ci sono sfide significative che devono essere superate lungo il percorso.

La maggior parte dei compositi utilizzati oggi nel settore aerospaziale si basa sulla tecnologia termoindurente, ed è importante sottolineare che si tratta di una tecnologia ancora all'avanguardia con un continuo sviluppo per migliorare ulteriormente sia i materiali che i processi. Tuttavia, i velivoli più avanzati al mondo utilizzano strutture composite basate su tecnologie termoindurenti sviluppate per la prima volta decenni fa.

Un termoindurente è una resina o una colla che si fissa durante un processo chimico per modificarne la struttura in modo permanente. I compositi termoindurenti sono creati combinando il termoindurente con una fibra o una miscela di fibre come il carbonio o il vetro. Spesso la fibra e la resina sono combinate in un foglio preimpregnato in modo che il contenuto di resina possa essere controllato con precisione in tutta la struttura finale.

È un vortice materiale

Al contrario, le materie plastiche che vediamo nella vita di tutti i giorni sono, quasi senza eccezioni, termoplastiche - materie plastiche che possono essere fuse e rifuse ripetutamente. Sono relativamente facili da maneggiare, hanno una serie di proprietà utili, sono veloci da lavorare e facili da riciclare. Allora perché l'industria dei compositi in senso lato, compreso il settore aerospaziale, sceglie ancora un sistema che il resto del mondo ha lasciato negli anni '70?

In primo luogo, le resine epossidiche utilizzate nella produzione di compositi termoindurenti sono ben note, e nel settore aerospaziale questo conta davvero. Dopo 50 anni di sviluppo, la sicurezza, la consistenza e l'affidabilità delle tecnologie termoindurenti sono state ampiamente dimostrate. Una volta combinati con la fibra e polimerizzati, i termoindurenti creano laminati estremamente solidi. È importante notare che un sistema di resina epossidica può essere realizzato per bagnare la fibra in modo molto efficace, il che significa che tutte le fibre sono rivestite e tenute insieme con una quantità minima di resina per creare una parte composita davvero forte e rigida. Questa rigidità non è sempre auspicabile, ma almeno si capisce.

Tuttavia, i sistemi di resina epossidica utilizzati nella produzione di compositi termoindurenti presentano alcuni innegabili svantaggi che stanno diventando sempre più rilevanti - in particolare la velocità di produzione, l'instabilità e l'impatto ambientale.

Non è pratico realizzare un gran numero di parti in composito termoindurente utilizzando le tecniche esistenti. Infatti, la produzione con la tecnologia termoindurente convenzionale è un processo laborioso e complesso se confrontato con le tecniche di produzione più diffuse. Ciò è dovuto ai processi tipicamente lunghi necessari per la produzione di parti termoindurenti, che comportano l'indurimento e possibilmente fasi di post indurimento della durata di diverse ore.

Anche la stabilità del sistema di resina è una preoccupazione per i produttori. Non appena viene miscelata, la resina diventa chimicamente attiva e inizia il conto alla rovescia per il suo "out-life" (il tempo in cui la resina attiva rimane utile). Gestire la resina significa che è essenziale un investimento significativo in attrezzature di lavorazione aggiuntive, tra cui sale di miscelazione, congelatori, autoclavi e forni per controllare la velocità di questa reazione chimica.

Infine, l'impatto ambientale delle tecnologie termoindurenti è una considerazione crescente. Oltre alla tossicità delle sostanze chimiche utilizzate nella produzione di termoindurenti, la parte composita fissata chimicamente non può ancora essere facilmente riciclata.

In tutti i settori dei trasporti c'è ora una crescente spinta a ridurre il peso e quindi a migliorare l'efficienza energetica. Centinaia di progetti in tutto il mondo stanno cercando di sfruttare i vantaggi della costruzione in composito per ridurre il peso dei componenti ad un costo ragionevole e ad un tasso di produzione fattibile.

Una soluzione proposta a queste sfide - una soluzione che renderebbe i compositi molto più attraenti in una gamma di applicazioni molto più ampia - è l'utilizzo di materiali termoplastici come matrice invece di una resina epossidica. Questa non è affatto una metodologia nuova - le fibre corte tagliate sono state utilizzate per modificare le proprietà dei polimeri per molti anni negli stampaggi ad iniezione - ma offre alcuni importanti vantaggi per il settore aerospaziale e per altri mercati.

Ad esempio, miglioramenti significativi nella resistenza agli urti o al calore possono essere ottenuti più facilmente scegliendo un polimero adatto all'inizio per bilanciare le esigenze di prestazione rispetto ai costi.

I termoplastici offrono un percorso significativamente più veloce e più conveniente per la produzione di compositi rispetto ai termoindurenti, perché non vi è alcuna reazione chimica da gestire. In effetti, il polimero viene semplicemente fuso e impostato per creare materiale preimpregnato, ad esempio, che può poi essere rifuso e impostato per formare parti in una moltitudine di modi.

Si può anche risparmiare sui costi e sullo spazio, perché una linea di lavorazione termoplastica in scala reale ha un ingombro notevolmente inferiore rispetto ad una macchina termoindurente convenzionale. Non c'è bisogno di attrezzature per la miscelazione delle resine, di macchinari per il rivestimento o per il riavvolgimento della carta, ad esempio, nella produzione di compositi termoplastici. Non necessitano di forni o autoclavi per la loro lavorazione, di speciali attrezzature di manipolazione per manipolarli dentro e fuori dalla linea di produzione, o di congelatori per immagazzinarli e trasportarli.

Un altro punto interessante dal punto di vista della costruzione di macchine è che le linee di lavorazione termoplastiche sono riscaldate elettricamente, il che rappresenta un'alternativa più pulita rispetto alle tradizionali linee termoindurenti che utilizzano riscaldatori ad olio e raffreddatori ad acqua.

Quando la velocità soddisfa la domanda

Tutto ciò significa che il processo di produzione dei preimpregnati termoplastici è notevolmente più veloce di quello dei termoindurenti e quindi potenzialmente interessante in molti settori diversi. Ma qui sta una sfida: l'attuale tasso di produzione di fibra di carbonio in tutto il mondo non è sufficiente a sostenere un'ampia diffusione delle tecniche di lavorazione dei termoplastici, il che significa che i produttori finirebbero rapidamente il carbonio. È difficile specificare un materiale che non può essere reperito in modo affidabile, e questo a sua volta soffoca la crescita. Con un impianto di produzione di fibra di carbonio che richiede dai due ai tre anni di attività, questa è una sfida che richiederà notevoli investimenti per essere affrontata.

Come ho descritto in precedenza, anche la certificazione dei materiali termoplastici è una sfida e una delle principali ragioni per cui i termoindurenti continuano a dominare nel settore aerospaziale. L'introduzione di nuove tecnologie in questo mercato - in particolare per la produzione di parti strutturali - è una sfida che non può essere trascurata. Tuttavia, si prevede che il mercato dei termoplastici in parti non strutturali, come i sedili e i loro accessori, si svilupperà più rapidamente una volta che le tecniche di produzione saranno state perfezionate.

In termini di sostenibilità, i materiali termoplastici offrono interessanti vantaggi a prova di futuro. Ad esempio, possono essere saldati, il che è estremamente significativo perché significa che possono essere uniti in modo rapido e semplice. Anche se alcune giunzioni meccaniche dei componenti possono essere ancora necessarie per soddisfare i requisiti normativi, queste possono essere stampate nel componente.

Sono anche più riciclabili, il che dà loro un vantaggio crescente rispetto ai termoindurenti, dato che i compositi cominciano ad entrare nel mainstream. Mentre il riciclaggio dei compositi è ancora agli inizi, l'aumento del volume dei materiali spingerà l'innovazione e gli investimenti in questo settore.

Nel frattempo, il nostro obiettivo è quello di lavorare in collaborazione con un maggior numero di produttori aerospaziali per sviluppare la tecnologia termoplastica in modo da sostenere i loro obiettivi e le loro aspirazioni specifiche.

https://cygnet-texkimp.com

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