Polimeri rinforzati con fibre lunghe (LFRP) – Principi e buone pratiche

Questo articolo presenta i principi fondamentali e le migliori pratiche per la lavorazione dei polimeri rinforzati con fibre lunghe (LFRP), compresi suggerimenti pratici per preservare la lunghezza delle fibre e massimizzare le prestazioni in applicazioni impegnative.

Panoramica sul rinforzo in fibra

L'aggiunta di fibre, di vetro o di carbonio, lunghe o corte, migliora le prestazioni meccaniche e strutturali dei materiali termoplastici. La principale differenza tra fibre corte e lunghe risiede nel grado di lavorazione delle fibre:

• Fibre corte: Più facili da lavorare, ma presentano un rapporto resistenza/peso inferiore.
• Fibre lunghe: Richiedono una manipolazione attenta ma migliorano notevolmente la resistenza, la tenacità, la resistenza alla fatica e la stabilità dimensionale.

Preserva la lunghezza delle fibre, non aspettarti la perfezione

La lunghezza delle fibre è fondamentale per ottimizzare le prestazioni del composito. La rottura riduce la resistenza e la tenacità, vanificando potenzialmente i vantaggi delle fibre lunghe. Le cause della rottura delle fibre includono:

• manipolazione impropria
• Utensili o stampi mal progettati
• Attrezzature e condizioni di elaborazione non ottimizzate

Materiali a fibra lunga sono in genere prodotti tramite pultrusione:

• I roving di fibre continue vengono fatti passare attraverso una filiera di impregnazione.
• La resina ricopre completamente le fibre e si lega ad esse.
• Le fibre vengono tagliate in pellet (~12 mm) con rinforzo unidirezionale.

A sinistra: fibre corte dopo la rimozione della resina | Al centro: parte stampata a iniezione | A destra: struttura a fibre lunghe

Vantaggi dei compositi rinforzati con fibre lunghe

• Rapporto resistenza/peso più elevato
• Resistenza agli urti migliorata
• Maggiore durata della fatica
• Stabilità termica più ampia
• Stabilità dimensionale superiore

Compositi in fibra di carbonio può sostituire i metalli:

• 70% più leggero dell'acciaio
• 40% più leggero dell'alluminio

Resine di base comuni: PA/Nylon, PP, ETPU, PEEK, PPA, PEI

Contenuto di fibre: Fino al 70% per il vetro, 60% per il carbonio (PP, PA, TPU)

Le resine semicristalline sono più adatte al rinforzo delle fibre rispetto alle resine amorfe.

Considerazioni chiave per l'elaborazione di LFRP

1. Materiale e progettazione dello stampo

• Sono adatti gli acciai standard per stampi (P20); per una maggiore durata, utilizzare acciaio H13 o A9.
• Evitare porte di piccolo diametro per ridurre il taglio delle fibre. Si consigliano porte larghe a ventaglio o a tutto tondo.
• Evitare angoli acuti nelle guide; sono accettabili prese d'aria più grandi.

2. Attrezzature per stampaggio

• Le macchine a iniezione standard possono lavorare i materiali LFRP con piccole modifiche.
• Consigliato: vite a bassa pressione/per uso generale, ugello minimo da 5,6 mm, evitare ugelli conici/in nylon.
• Riempire solo il 60-70% della capacità del pallino per evitare un taglio eccessivo o un tempo di residenza eccessivo.

3. Condizioni di elaborazione

• Deformazione e scorrimento: Le fibre lunghe riducono la deformazione e lo scorrimento rispetto alle fibre corte. Ottimizzare il posizionamento del gate e la progettazione del componente per ridurre al minimo la distorsione.
• Asciugatura: Utilizzare un essiccatore deumidificatore con punto di rugiada di -40 °C.
• Alimentazione: Trasporto pneumatico con filtri; evitare curve strette.
• Modanatura: Ridurre al minimo il taglio della vite e la contropressione; evitare la macinazione frantumata.
• Velocità e pressione di iniezione: Velocità basse (25,4–50,8 mm/s) per contenuti elevati di fibre; regolare entro gli intervalli consigliati dal fornitore.

Linee guida per la progettazione delle parti

• Favorisce l'allineamento delle fibre lungo la direzione del flusso.
• Spessore uniforme della parete: min 1,524 mm, ottimale 3,175 mm, >5,08 mm riduce l'allineamento.
• Evitare sezioni lunghe e piatte senza nervature.
• Posizionare le linee di saldatura in modo strategico; le fibre dovrebbero rinforzarle.

Preservare i vantaggi delle fibre lunghe

Adattare le linee guida standard per la lavorazione di resine/fibre corte. Una manipolazione, una progettazione dello stampo o una configurazione delle attrezzature non idonee possono ridurre o annullare i vantaggi di elevata resistenza e tenacità. Seguire le migliori pratiche giustifica il costo più elevato dei materiali a fibra lunga e ne garantisce le prestazioni.