Compositi innovativi per aprire nuovi mercati by CompoTechDirectIndustry

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Sebbene la base dell'azienda sia sicuramente l'avvolgimento di filamenti, CompoTech ha spinto questo processo verso nuove applicazioni tramite avvolgimento a pin, avvolgimento, avvolgimento e concetti innovativi di utensili e materiali. Il risultato è una fluidità di processo che spesso raggiunge nuovi livelli di prestazione attraverso l'ibridazione, ad esempio, con metalli e metodi di produzione come la stampa 3D e la propria versione di posa automatica delle fibre (AFL).

CompoTech (Sušice, Repubblica Ceca) è stata fondata nel 1995 da Ondrej Uher e Vitek Sprdlik, oggi rispettivamente direttore R&D e direttore tecnico dell'azienda. "In origine hanno costruito una macchina per l'avvolgimento di filamenti per la produzione di alberi per canoa e kayak che integravano la propria tecnologia per l'avvolgimento assiale di fibre a 0°", spiega Humphrey Carter, direttore dello sviluppo commerciale di CompoTech. "Questa e' ora una competenza fondamentale. Abbiamo dimostrato che questa costruzione produce strutture più forti e rigide con una maggiore resistenza all'instabilità delle fibre"

L'azienda ha anche sviluppato la capacità di avvolgere cerchi in composito integrale per le connessioni. Questi sono utilizzati in parti che vanno dai longheroni di deltaplano agli alberi motore e ai componenti industriali. "CompoTech progetta le macchine e il software di controllo", afferma Carter. "Poiché abbiamo il pieno controllo del processo, possiamo ottimizzare al meglio la progettazione. Sviluppiamo la tecnologia di processo su misura per i criteri di progettazione e possiamo metterla a disposizione dei nostri partner tecnologici, dei progettisti e dei produttori di compositi. Per esempio, abbiamo concesso in licenza la tecnologia a Southern Spars/North Marine Group"

Attualmente l'azienda impiega circa 50 persone, di cui quasi la metà nel design e nell'ingegneria. Ha anche forti legami con l'Università Tecnica Ceca (CTU) di Praga e anche con l'Università della Boemia Occidentale (Pilsen, Repubblica Ceca). CompoTech ha sviluppato soluzioni composite per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui barre per attrezzature agricole, alberi per le punte delle pale eoliche, telai e ruote di biciclette, tubi e telai per pinze di assemblaggio automobilistico e componenti leggeri a portale per taglierine laser e macchine CNC.

"Abbiamo lavorato dall'inizio degli anni 2000 nel settore industriale e delle macchine utensili a causa della sua prevalenza nella Repubblica Ceca", spiega Carter. "Questa è un'industria molto conservatrice che non conosce i compositi. Così, andiamo alle mostre di macchine utensili e li istruiamo" L'industria sa già che le vibrazioni provenienti dall'accelerazione dei pezzi e dalle superfici di taglio, come la fresatura dei denti, causano una riduzione della precisione di lavorazione e della durata dell'utensile. CompoTech spiega che le armoniche di un utensile da taglio - la sua vibrazione basata su massa, rigidità e carici/forze applicate - sono spesso il fattore limitante in termini di prestazioni e produttività. Non così noto è che la plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) può essere utilizzata nella struttura di macchine e portautensili per ridurre la massa e aumentare la rigidità rispetto all'acciaio. Utilizzando la fibra del passo, CompoTech riporta rispettivamente una riduzione di peso del 25% e un aumento di rigidità del 200% (400 GPa ottenuti con la fibra unidirezionale). Questi sono i due modi principali per aumentare la frequenza naturale di una struttura e prevenire la risonanza. Questo è il momento in cui la struttura vibra da sola, il che aggrava i problemi delle parti rotanti già soggette a vibrazioni e dei macchinari a velocità variabile.

"L'utilizzo del nostro processo per il CFRP riduce anche la deriva delle macchine utensili rispetto ai compositi autoclavati, perché induciamo meno stress termico", aggiunge Carter. "I portautensili sono spesso travi lunghe e sottili che possono cambiare nel tempo, a seconda del progetto e della composizione del materiale. Questo influisce sulla posizione relazionale dell'utensile, riducendone la precisione"

Per quanto riguarda lo smorzamento, CompoTech è andato oltre le proprietà intrinseche dei compositi di fibre e polimeri fino ad arrivare all'inclusione pionieristica di altri materiali, fornendo da 12 a 20 volte lo smorzamento dell'acciaio, contrastando direttamente le vibrazioni e agendo per accelerarne il decadimento (vedi grafico sopra). "Abbiamo oltre un decennio di esperienza nella progettazione di compositi smorzati per ottenere le proprietà e le prestazioni desiderate", dice Carter. Un esempio è il nuovo design di un mandrino in modo che sia richiesta una forza di serraggio molto minore rispetto ad un mandrino in acciaio. Un altro è l'attrezzatura modificata per la rotazione di una turbina a bassa pressione (LPT) per motori aeronautici, realizzata in lega Inconel 718 difficile da lavorare. Sviluppato attraverso il progetto INTEFIX, finanziato dall'UE, CompoTech ha sviluppato anelli in CFRP per sostituire gli anelli metallici utilizzati come localizzatori nell'apparecchio. Il risultato non ha comportato alcuna perdita di rigidità o funzione, migliorando al contempo il comportamento del pezzo in lavorazione e le prestazioni di lavorazione. In effetti, l'attrezzatura è stata resa intelligente, in grado di adattare il bloccaggio del pezzo in lavorazione in base alle necessità durante il processo.

CompoTech ha inoltre in corso lavori su un cambio ibrido metallo/composito per veicoli elettrici, con l'obiettivo di ridurre la massa del 25% e ridurre la rumorosità aumentando la frequenza naturale e lo smorzamento. Questo progetto (dal 2016 all'ottobre 2019) è in collaborazione con la Czech Technical University (CTU) di Praga, Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM, Daejeon, Corea del Sud) e Samyang Reduction Gear Co. Ltd. (Inchon, Corea del Sud). Il corpo principale del riduttore sarà in materiale composito con inserti metallici per superfici di supporto. CompoTech ha progettato e prodotto la scatola del cambio superiore e inferiore, nonché gli alberi del cambio. Tutte le parti sono composte da più parti, che sono incollate adesive. Il CTU ha fornito il collaudo e l'analisi FE, mentre i partner coreani del progetto forniscono le specifiche tecniche e completeranno, assembleranno e collauderanno i riduttori.

Carter spiega che molte delle prestazioni di R&D CompoTech per le macchine utensili vengono poi applicate a nuove applicazioni, come l'alettone per l'Aero Vodochody AEROSPACE (Odolena Voda, Repubblica Ceca) L-39NG jet trainer. "Questa è un'applicazione impegnativa, con pressioni molto elevate sul bordo d'uscita", dice. Oltre ai carichi di volo, la versione armata dell'aereo subisce onde di pressione quando vengono lanciati razzi montati su ali. "Con la tradizionale costruzione in materiale composito, c'era delaminazione sul bordo d'uscita dell'alettone", osserva Carter. "Abbiamo eliminato tutti i collanti e invece abbiamo creato una struttura integrale utilizzando l'avvolgimento e la co-curing di filamenti umidi. Abbiamo trascorso mesi a sviluppare le fasi di progettazione e di processo. In primo luogo, il nostro avvolgitore robotizzato viene utilizzato per avvolgere i quattro fasci di casse che formano i longheroni degli alettoni degli alettoni. "Questi sono trapezi e poi forme a D sul bordo anteriore e posteriore." Il bordo d'uscita ha anche un pezzo separato su di esso per creare una superficie più aerodinamica.

Questo progetto è un buon esempio di come lavoriamo con un cliente sviluppando la tecnologia di processo e il design. La nostra idea non è quella di produrre in serie alettoni o altre parti. Produciamo le macchine e i nostri clienti avvolgeranno le parti" L'alettone sta volando e Aero Vodochody ha un arretrato di 4 anni per gli ordini dei jet trainer L-39NG.

In generale, il processo di avvolgimento ad umido di CompoTech si basa sulla precisione, in pratica creando al volo il towpreg. "Utilizziamo principalmente resine epossidiche e polimerizzazione a 100°C", dice Carter. "Per applicazioni che richiedono un Tg più elevato, come ad esempio alcuni attrezzi da scavo da noi prodotti per l'industria petrolifera e del gas, siamo in grado di polimerizzare a 140°C."

3D cellular composite (3Dc) è il nome di CompoTech per una serie di processi che producono un composito con rinforzo tridimensionale. Il risultato è una sezione trasversale con un aspetto cellulare, questa costruzione raggiunge un elevato contenuto di fibre assiali nella direzione x interconnesse con le fibre nelle direzioni y e z, che formano le pareti cellulari. Abbiamo creato questo processo per pezzi spessi che richiedono una rigidità assiale molto elevata", dice Carter. Questa rigidità è dovuta all'elevatissimo contenuto di fibre a 0° (assiale). Le pareti cellulari trasportano anche il carico di taglio attraverso la sezione attraverso le pareti cellulari e consentono di realizzare sezioni più interessanti, come ad esempio la scanalatura a T mostrata sopra.

L'azienda è anche mandrini e supporti di stampa 3D per soddisfare i requisiti di torsione e frequenza naturale senza laminati più spessi. "Questo è un altro progetto che lavora con il CTU", dice Carter, "dove stiamo sviluppando la progettazione interna automatizzata delle strutture" Egli osserva che l'avvolgimento in composito termoplastico sta decollando in modo massiccio. "Questo è il nostro passo successivo, combinare la nostra avvolgimento in termoplastica con la stampa 3D e utilizzare la piegatura per creare strumenti di stampaggio innovativi per compositi e strutture di macchine utensili