La scelta della fibra di carbonio sbagliata può aumentare i costi di 40% e causare il fallimento del progetto. Questa guida alla scelta della fibra di carbonio rivela come gli ingegneri del settore aerospaziale, automobilistico e robotico selezionano i materiali ottimali.

Guida alla scelta della fibra di carbonio

1. Comprendere i fondamenti della fibra di carbonio

Composizione: >90% atomi di carbonio (da PAN o precursori di pece).

Proprietà chiave:

  • Elevato rapporto resistenza/peso (5 volte più forte dell'acciaio a 1/4 del peso)
  • Elevato rapporto rigidità/peso
  • Bassa espansione termica
  • Eccellente resistenza alla fatica
  • Resistenza alla corrosione
  • Conducibilità elettrica
  • Anisotropo: Le proprietà variano in base alla direzione della fibra.

2. Parametri critici di selezione

- Unidirezionale (UD): Fibre tutte a 0°. Massima resistenza/rigidità nella direzione primaria. Laminati.

- Tessitura semplice: Semplice sopra/sotto. Buona stabilità, proprietà equilibrate. Manipolazione più semplice.

- Tessuto Twill (2×2, 4×4): Drappo più liscio, migliore conformabilità rispetto alla tinta unita. Contorni complessi.

- Tessuto satinato (ad esempio, 5HS, 8HS): Eccellente drappeggio, arricciatura ridotta. Stampi complessi, superfici di alta qualità.

- Tessuto non crimpato (NCF): Strati cuciti di strati UD o tessuti. Prestazioni meccaniche più elevate.

  • Traino piccolo (1K-12K):
  • Migliore drappeggio, finitura superficiale. Forme complesse, articoli sportivi.
  • Traino grande (24K-50K+):
  • Costo inferiore per kg, tassi di deposizione più elevati. Settore automobilistico, industriale.

- Unidirezionale (UD): Fibre tutte a 0°. Massima resistenza/rigidità nella direzione primaria. Laminati.

- Tessitura semplice: Semplice sopra/sotto. Buona stabilità, proprietà equilibrate. Manipolazione più semplice.

- Tessuto Twill (2×2, 4×4): Drappo più liscio, migliore conformabilità rispetto alla tinta unita. Contorni complessi.

- Tessuto satinato (ad esempio, 5HS, 8HS): Eccellente drappeggio, arricciatura ridotta. Stampi complessi, superfici di alta qualità.

- Tessuto non crimpato (NCF): Strati cuciti di strati UD o tessuti. Prestazioni meccaniche più elevate.

alcuni intrecci comuni

trama in fibra di carbonio

Peso per unità di superficie (g/m² o oz/yd²). Influisce sullo spessore del laminato, sul contenuto di resina e sui tempi di lavorazione.

Assicurare la compatibilità con il sistema di resina scelto (epossidica, poliestere, vinilestere, bismaleimide, termoplastica).

Critico per l'adesione fibra-matrice (forza di legame). Specificare in base al tipo di resina.

- Tessuto asciutto: Richiede l'infusione di resina.

- Preimpregnato: preimpregnato di resina (stoccaggio congelato). Qualità costante e facilità di stesura.

- Filo tritato/materassino: Per composti di stampaggio, rinforzo in fibra corta.

- Profili pultrusi: Sezioni trasversali costanti (barre, tubi).

3. Raccomandazioni basate sull'applicazione

  • Aerospaziale (Strutture primarie): Fibre IM o HM, preimpregnati UD o tessuti a strato sottile, controllo dell'elevato contenuto di resina.
  • Automotive (prestazioni): Fibre SM o IM, tessuti a trama larga o NCF, sistemi di preimpregnati/resine a polimerizzazione rapida.
  • Articoli sportivi (biciclette, racchette): Fibre SM o IM, armature twill 3K per l'estetica, UD per le zone ad alte prestazioni, Prepreg o wet layup.
  • Elettronica di consumo: Fibre HM per la rigidità, trame sottili o UD per profili eleganti, gradi di schermatura EMI.
  • Industriale/Robotica: Fibre SM o IM, Tessuti a grande trama a basso costo, Resine epossidiche o vinilestere.
  • Marina: Fibre SM, tessuti (twill/satinato), vinilestere o epossidico per la resistenza alla corrosione.

4. Considerazioni su fornitori e qualità

  • Reputazione dei fornitori: Certificazioni (AS9100, ISO 9001), patrimonio aerospaziale.
  • Consistenza: Variabilità da lotto a lotto in termini di proprietà, dimensioni e peso.
  • Disponibilità dei dati: Accesso ai dati certificati sulle proprietà meccaniche (trazione, compressione, taglio).
  • Tempi di consegna e disponibilità: Fondamentale per la pianificazione del progetto.

5. Considerazioni sulla lavorazione

  • Stesura manuale (a umido): Scegliere tessuti con un buon drappeggio (twill, raso) e un peso areale gestibile.
  • Infusione di resina (VARTM, RTM): selezionare tessuti permeabili/NCF, mezzi di flusso compatibili.
  • Stratificazione preimpregnata: Richiede la polimerizzazione in autoclave/forno. Considerare l'adesività, la durata e il ciclo di polimerizzazione.
  • Stampaggio a compressione: Fibra tagliata, SMC o tessuti preformati.
  • Processi automatizzati (ATL/AFP): nastri UD o tessuti tagliati. Controllo di precisione della larghezza.

6. Ottimizzazione dei costi

  • Valutare: Tessuto grande contro tessuto piccolo, tessuto a secco contro preimpregnato, modulo standard contro alto modulo.

  • Ridurre al minimo gli sprechi: Nesting efficiente, metodi di taglio ottimali.

  • Efficienza del processo: Resine a polimerizzazione più rapida, tecniche di lavoro ridotte (automazione, infusione).

7. Diagramma di flusso delle decisioni chiave

  1. Definire i requisiti dell'applicazione: Carichi (trazione, compressione, taglio), rigidità, obiettivi di peso, ambiente, fattori di sicurezza.
  2. Identificare le proprietà critiche: La forza, la rigidità, la resistenza agli urti o la durata a fatica sono fondamentali?
  3. Considerare il metodo di produzione: Layup a umido, prepreg, infusione, stampaggio?
  4. Selezionare il tipo di fibra e la dimensione del filo: SM, IM, HM? 3K, 12K, 50K?
  5. Scegliere trama e peso areale: UD, tinta unita, twill, raso? Quale g/m²?
  6. Specificare la compatibilità della resina e la forma: Preimpregnato o tessuto asciutto? Sistema di resina compatibile.
  7. Valutare fornitori e costi: Bilanciare prestazioni, qualità e budget.
  8. Prototipo e test: Convalidare la selezione prima della produzione su larga scala.

8. Note importanti

  • Consultare gli esperti: Coinvolgere per tempo scienziati dei materiali o ingegneri dei compositi.
  • Test: Le schede tecniche dei materiali sono una guida; eseguire test specifici per l'applicazione.
  • Considerare l'intero sistema: La fibra è solo uno dei componenti. La resina, l'anima (se a sandwich) e il processo di produzione sono altrettanto critici.
  • Sostenibilità: Esplorare le opzioni in fibra di carbonio riciclata quando le prestazioni lo consentono.

Ancora confuso? Contattateci qui