Materiali strutturali

I polimeri rinforzati con fibre di vetro e carbonio possono offrire valori di sforzo a rottura e modulo elastico paragonabili a quelli di metalli come alluminio e zamak. Inoltre, la resistenza alle condizioni di lavoro può trarre vantaggio dall’inerzia chimica propria delle materie plastiche. È tuttavia fondamentale progettare la geometria dei manufatti e il processo di stampaggio in modo da sfruttare al meglio le peculiarità e le prestazioni di matrici e rinforzi. Applicare ai compound strutturali i metodi e i criteri tipici dei metalli è profondamente errato e potenzialmente pericoloso.

Indicativamente si può direi che un contenuto di fibre di vetro molto elevato (oltre il 50% in peso) comporterà valori massimi di modulo elastico e sforzo a rottura: ideale per applicazioni statiche in cui rigidezza, resistenza nel tempo e stabilità dimensionale sono aspetti prioritari. Se sono previste sollecitazioni impulsive meglio preferire un contenuto inferiore di fibre, per esempio un 40%. Il 50% di fibre di vetro (o il 40% di carbonio) costituisce un buon compromesso fra le due scelte applicative.

Certamente, LATI offre un’ampia gamma di materiali strutturali adatti per operazioni di metal replacement e contestualmente idonei al contatto con acqua e alimenti. I gradi basati su PP, PA, PPS e PPA certificati dai più importanti istituti internazionali sono consultabili qui (inserire link). Attenzione: al momento non si dispone di alcuna fibra di carbonio adatta per queste situazioni.

Normalmente le fibre di rinforzo corte tendono a compromettere la resa estetica dei compound rinforzati, lasciando le caratteristiche striature e macchie sulla superficie. Sono stati fatti passi avanti per migliorare l’aspetto di questi gradi: in particolare è oggi disponibile la gamma dei compound strutturali per applicazioni estetiche LATIGLOSS. Si tratta di compound sviluppati su PA6, PA66 e PPA rinforzati dal 30 al 60% con fibra di vetro e carbonio, capaci di assicurare una finitura superficiale di livello assoluto. Consultate la nostra gamma

Le fibre di vetro permettono di raggiungere un’ottima resistenza e robustezza mantenendo un valido rapporto prestazioni/prezzo. I prodotti strutturali con fibre di vetro sono quindi ottimi candidati per qualsiasi progetto di metal replacement.  I compound rinforzati con fibre di carbonio sono proporzionalmente più rigidi, elettricamente conduttivi, leggermente autolubrificanti ed esclusivamente di colore nero: sono normalmente opzionati per applicazioni in cui servano notevoli prestazioni meccaniche, leggerezza, stabilità dimensionale, antistaticità.

Per via della loro natura i polimeri termoplastici tendono ad adattare la propria disposizione nel tempo in modo da minimizzare lo stato di sforzo interno. Ciò si traduce in un aumento della deformazione nel caso di un carico imposto costante (creep) o nel rilassamento delle tensioni interne nel caso di uno spostamento imposto costante. Il fenomeno comporta uno scorrimento delle macromolecole che può venire notevolmente ostacolato dalle fibre di rinforzo. Per assicurare prestazioni affidabili e sicure ai propri manufatti sottoposti a sollecitazioni costanti nel tempo è quindi opportuno adottare compound rinforzati: tanto più alta la quantità di fibre, quanto minori saranno gli effetti dello scorrimento viscoso.

L’elevata presenza di fibre di rinforzo diminuisce naturalmente la possibilità di aggiungere ulteriori modificanti e additivi funzionali. Tuttavia, nella gamma LATI si possono trovare compound caricati al 40 o 50% con fibra di vetro e contemporaneamente autolubrificanti, autoestinguenti, antistatici.

Un carico costante, anche se molto elevato, richiede materiali rigidi con alto modulo elastico, elevato sforzo a rottura e ottima resistenza al creep. Una sollecitazione dinamica, per esempio un urto, necessita invece di un materiale capace di ripartire la sollecitazione imposta in modo da assorbirne l’energia mediante deformazione. Nel primo caso quindi si può optare per un materiale molto rinforzato, anche con carbonio (es. 60% fibra vetro o 40% fibra di carbonio); nel secondo si opterà invece per un contenuto di rinforzo inferiore (es. 30 o 40% fibra vetro).

Il problema della fatica esiste anche nei materiali polimerici ed è decisamente complesso. Il cedimento a fatica dipende infatti da molteplici fattori, fra i quali il tipo, la frequenza e l’ampiezza della sollecitazione (per esempio una vibrazione). In generale il cedimento avviene a seguito della formazione della cricca e del successivo avanzamento nel materiale. La presenza di fibre di rinforzo aiuta a limitare i danni generati da un eventuale surriscaldamento locale e ostacola la propagazione delle cricche nel materiale.

Sono oggi disponibili software di simulazione FEM con i quali è possibile valutare preventivamente le prestazioni di un oggetto realizzato con compound strutturali, tenendo correttamente conto non solo delle condizioni al contorno (carichi e vincoli) ma anche della temperatura, del tempo e delle condizioni ambientali. LATI offre ai propri clienti un servizio completo di co-design e verifica di fattibilità.

Le fibre di vetro e di carbonio possono essere molto abrasive e dar luogo a usura rapida su stampi, ugelli, sistemi di alimentazione e elementi di plastificazione. Il fenomeno è tanto più rapido quanto maggiori sono le velocità e gli sforzi in gioco (elementi che fra l’altro possono contribuire a frantumare le fibre stesse riducendone l’efficacia). Si consiglia di adottare acciai resistenti all’usura e trattamenti di indurimento superficiale dove necessario, oltre a parametri di stampaggio corretti.