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Dal compensato alle ali degli aerei, i compositi sono presenti in tutta la società moderna e vengono utilizzati sempre più spesso al posto dei materiali tradizionali come il legno e il metallo.
Da millenni, gli umani uniscono diversi materiali per creare qualcosa che risulti più durevole, flessibile e funzionale rispetto ai rispettivi componenti.
La produzione con compositi risale all'antica produzione di mattoni quando la paglia veniva aggiunta all'argilla umida o al fango per accelerare il tempo di essiccazione e ottenere un mattone finito più solido. Le barre di rinforzo metalliche nelle strutture in calcestruzzo svolgono all'incirca la stessa funzione. Il calcestruzzo, il secondo materiale più utilizzato al mondo dopo l'acqua, è esso stesso un composto di aggregati e cemento.
Il motivo principale per cui vengono creati i compositi è ottenere maggiore resistenza, come negli esempi precedenti, ma non è il solo. Ad esempio, un materiale composito può essere meno costoso, più leggero, resistente all'acqua e al calore, più rigido, elettricamente conduttivo o una combinazione di queste caratteristiche.
I compositi moderni sono stati progettati per soddisfare un'esigenza specifica e sono abitualmente utilizzati nei settori aerospaziale, automobilistico, della difesa, navale, dei dispositivi medici e attrezzature sportive.
Esempi comuni includono il legno composito, la fibra di carbonio, la fibra di vetro, la plastica rinforzata con fibre e la ceramica avanzata. L'elenco dei compositi è in costante crescita perché i ricercatori sperimentano diverse combinazioni di materiali sviluppando nuove varietà, processi e applicazioni.
Su 3DEXPERIENCE Make, offriamo opzioni di produzione con compositi con vari processi quali stampa 3D, lavorazione CNC, taglio laser e stampaggio a iniezione. 3DEXPERIENCE Make è una piattaforma di produzione on-demand, che mette in relazione i progettisti o gli ingegneri con i fornitori di servizi industriali. I nostri fornitori di servizi si trovano principalmente nel Nord America (Stati Uniti e Canada) e in Europa (Regno Unito, Francia, Paesi Bassi, Germania, ecc.).
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Taglio laser, taglio ad acqua, taglio a lama
Fresatura, tornitura ed elettroerosione
Lamiera, estrusione, formatura, stampaggio
Check & repair o Geometry check è una funzionalità che aiuta a capire la problematica geometrica della parte e che potrebbe ovviarla in tempo reale e online.
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Questa funzione, disponibile solo per il servizio di stampa 3D, aiuta a verificare la producibilità della parte, in base ai materiali e al processo.
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I compositi vengono realizzati unendo due o più materiali caratterizzati da punti di forza e di debolezza complementari. Di norma includono una sostanza legante chiamata "matrice" e un materiale di "rinforzo" che, una volta uniti, conferisce proprietà superiori a ciascun singolo componente.
Sebbene molti siano prodotti dall'uomo, esistono numerosi compositi naturali, come il legno, che unisce le fibre di cellulosa in una matrice di lignina.
La maggior parte dei compositi è creata miscelando materiali umidi che si induriscono o si solidificano nel tempo. Il processo che può richiedere ore o settimane.
La matrice e il rinforzo sono facilmente visibili nel composito finale. Questa caratteristica è ciò che distingue i compositi dai composti chimici, dalle soluzioni e dalle miscele.
La combinazione di materiali e volumi diversi cambia la sinergia potenziata tra gli stessi, consentendo agli scienziati di ottimizzare con precisione un composito per risolvere un particolare problema.
Nonostante il loro costo generalmente elevato, i materiali compositi rinforzati con fibre sono sempre più utilizzati per applicazioni ad alte prestazioni grazie al loro alto rapporto resistenza/peso. Possono resistere meglio ai rigidi requisiti e alle pressioni di carico di strutture aerospaziali, scafi di imbarcazioni, telai di biciclette e monoscocche di auto da corsa.
Il Boeing 787 Dreamliner e l'Airbus A350 sono entrambi dotati di cellule, fusoliere, ali, timoni in gran parte composti da materiali compositi.
I compositi continuano inoltre a sostituire il legno e il metallo in una vasta gamma di articoli sportivi, come racchette da tennis, mazze da baseball, mazze da golf, bastoni da hockey, pagaie, canne da pesca e tutti i tipi di tavole e supporti.
I processi di produzione usati per creare fibre di vetro e carbonio sono fondamentali per comprendere la moderna produzione di compositi.
La fibra di carbonio è costituita da polimeri organici di grandezza compresa tra 5 e 10 micron (all'incirca tra 0,005 mm e 0,1 mm). Gli ingredienti esatti delle fibre di solito dipendono dal produttore e dal marchio, ma per lo più contengono polimeri organici.
1. Le materie prime vengono filate e stirate in lunghe stringhe fibrose di molecole tenute insieme da atomi di carbonio.
2. Questi fili sono lavati e stabilizzati con sostanze chimiche.
3. Le fibre vengono riscaldate a circa 300 gradi, costringendo le molecole di carbonio a legarsi strettamente. Questo processo, chiamato carbonizzazione, concentra e purifica il carbonio, conferendo un elevato rapporto resistenza/volume.
4. La superficie delle fibre viene trattata in modo da ossidarle e migliorare le proprietà di legame.
5. Le fibre di carbonio vengono quindi avvolte su bobine e caricate su macchine da filatura per torcere le fibre in filati di diversi spessori da trasformare poi in tessuto. I fogli o le strisce di questo tessuto sono di norma impregnati di resina e lasciati indurire. In alternativa, le fibre libere vengono pressate insieme a un polimero plastico tramite calore, pressione o sottovuoto per formare un materiale composito.
La fibra di vetro è composta di sabbia silicea con altri ingredienti come il calcare e il carbonato di sodio per ridurre la temperatura di fusione e controllare altre proprietà.
Nella produzione di materiali compositi si usano numerose tecniche e il metodo impiegato rispecchierà l'applicazione prevista. Altri fattori determinanti sono il costo dei materiali e delle attrezzature e il numero di pezzi da produrre.
Le proprietà del pezzo finito dipenderanno dalle proprietà dei materiali componenti e da come vengono combinati la matrice e il rinforzo.
Tra i più comuni processi di produzione con compositi figurano:
Alluminio, nichel, acciaio inox, titanio, ecc...
ABS, POM (Acetal/Deltin), PEEK, PTFE, HDPE, PEI, PC, PP, ecc...
Supporto di cera, polimerizzabili a UV, ecc...
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