Tessuti di rinforzo per compositi: tipologie e proprietà

I tessuti di rinforzo sono uno degli elementi fondamentali nella produzione dei materiali compositi. Fibre come vetro, carbonio, aramide e lino vengono organizzate in strutture tessili differenti e combinate con una matrice, generalmente resinosa, per realizzare componenti con proprietà definite in funzione dell’applicazione.

La scelta non dipende però soltanto dal materiale della fibra. Orientamento, grammatura, numero di strati, architettura del tessuto, resina e processo produttivo incidono insieme sul comportamento del laminato finale. Per questo due tessuti realizzati con la stessa fibra possono rispondere in modo molto diverso alle sollecitazioni previste dal progetto.

Cosa sono i tessuti di rinforzo nei materiali compositi?

Un materiale composito nasce dall’unione di componenti con funzioni differenti. Nei compositi a matrice polimerica, il rinforzo fibroso contribuisce in modo determinante alle proprietà meccaniche, mentre la matrice lega e ingloba le fibre formando il componente finale.

Le fibre possono essere utilizzate in configurazioni differenti. Possono essere allineate prevalentemente lungo una direzione, disposte su più assi oppure organizzate in tessuti con architetture sviluppate in funzione dei carichi e del processo produttivo.

Parlare genericamente di “fibra di carbonio” o “fibra di vetro” non è quindi sufficiente per definire il comportamento di un materiale composito. Occorre conoscere quale fibra viene utilizzata, in quale quantità e soprattutto come è orientata all’interno del tessuto di rinforzo.

Fibra, tessuto e matrice non sono la stessa cosa

La fibra è il materiale di base dei tessuti di rinforzo. Vetro, carbonio, aramide, lino e altre fibre presentano caratteristiche differenti.

I tessuti di rinforzo sono invece l’architettura con cui queste fibre vengono organizzate. Nei materiali compositi possono essere impiegati, per esempio, tessuti unidirezionali, bidirezionali e multiassiali.

La matrice completa il sistema. Nei compositi polimerici può essere costituita, a seconda del materiale e del processo, da:

• sistemi epossidici,
• poliestere insaturo,
• vinilestere,
• poliuretano,
• da matrici termoplastiche compatibili con lo specifico rinforzo.

È dall’interazione di questi elementi che nasce il laminato. La progettazione deve quindi considerare il sistema nel suo complesso e non la singola fibra isolatamente.

Quali fibre vengono utilizzate nei tessuti di rinforzo?

Le principali famiglie utilizzate nei tessuti di rinforzo per materiali compositi comprendono fibre di vetro, carbonio e aramidiche, a cui si affiancano fibre naturali come il lino e fibre speciali come il basalto. Sono possibili anche configurazioni ibride, nelle quali materiali differenti vengono integrati nello stesso tessuto di rinforzo.

La scelta della fibra deve essere collegata alle proprietà richieste al componente, alla sua geometria, alla direzione dei carichi e al metodo con cui verrà prodotto.

Fibra di vetro

La fibra di vetro rappresenta una delle soluzioni più consolidate nella produzione di compositi.

Offre un buon rapporto tra resistenza e peso, resistenza chimica, costi competitivi e facilità di lavorazione. Esistono inoltre differenti famiglie di vetro, tra cui E, ECR, AR, C e S, selezionabili in funzione delle prestazioni richieste.

I tessuti in fibra di vetro possono essere prodotti in configurazioni unidirezionali o multiassiali e vengono utilizzati in numerosi settori, dalla nautica all’eolico fino all’industria generale e alle infrastrutture.

La loro architettura può essere progettata per concentrare il rinforzo nella direzione principale del carico oppure per distribuire la risposta meccanica su più direzioni.

Un nastro in fibra di vetro o un tessuto unidirezionale, per esempio, consente di concentrare la maggior parte delle fibre lungo una direzione definita. Un multiassiale in fibra di vetro permette invece di sovrapporre più orientamenti nello stesso rinforzo.

Fibra di carbonio

La fibra di carbonio combina elevata rigidezza e resistenza con un peso molto contenuto. Per questo viene utilizzata quando il progetto richiede prestazioni strutturali elevate e una forte attenzione alla massa del componente.

I tessuti in fibra di carbonio possono essere realizzati come rinforzi unidirezionali, biassiali, triassiali, quadriassiali e in altre configurazioni sviluppate in funzione dell’applicazione.

Un rinforzo unidirezionale concentra il comportamento soprattutto lungo la direzione delle fibre. Nei tessuti multiassiali in carbonio vengono invece sovrapposti orientamenti differenti per rispondere a sollecitazioni provenienti da più direzioni.

La fibra di carbonio trova applicazione, tra gli altri, nel settore aerospaziale, nell’automotive, nella nautica e nell’energia eolica. In applicazioni marine, per esempio, i rinforzi carbonio NCF sono stati utilizzati adattando orientamento e numero degli strati alle esigenze delle singole parti strutturali.

La stessa logica vale per componenti come profili, strutture a sviluppo longitudinale o parti ottenute tramite pultrusione e altri processi continui: non conta soltanto utilizzare la fibra di carbonio, ma collocarla nella direzione in cui deve effettivamente lavorare.

Fibre aramidiche

Le fibre aramidiche si distinguono soprattutto per tenacità, capacità di assorbire energia e resistenza a impatto, abrasione e fatica. Mantengono inoltre buone proprietà anche in condizioni di temperatura elevate.

Nei compositi vengono impiegate quando, oltre al contenimento del peso, è richiesta una buona risposta a sollecitazioni dinamiche o impatti.

Le fibre aramidiche possono essere inserite negli stessi concetti costruttivi dei rinforzi in vetro e carbonio: tessuti unidirezionali, biassiali e multiassiali oppure soluzioni ibride con altre fibre.

SAERTEX® utilizza vetro, carbonio e aramide come materiali di rinforzo per NCF destinati a processi quali infusione, RTM, pultrusione, prepreg e compressione.

Fibra di lino

La fibra di lino introduce nel mondo dei compositi un rinforzo di origine naturale che può essere lavorato in configurazioni tessili differenti.

Tra le caratteristiche interessanti del lino nei compositi rientrano la bassa densità, la capacità di smorzare le vibrazioni e l’aspetto naturale della fibra. Queste proprietà ne hanno favorito l’utilizzo in applicazioni sportive, nautiche, automotive e di design.

I moderni multiassiali in fibra di lino possono inoltre essere realizzati come NCF, estendendo alle fibre naturali logiche di orientamento già utilizzate con vetro e carbonio.

Fibra di canapa e altre fibre naturali

Il lino non è l’unica fibra naturale utilizzata nei materiali compositi. Anche la fibra di canapa viene impiegata per realizzare tessuti di rinforzo e semilavorati destinati a matrici polimeriche.

La canapa viene apprezzata in particolare per caratteristiche meccaniche e capacità di assorbimento acustico. Insieme a lino e altre fibre vegetali può essere trasformata in semilavorati unidirezionali, tessuti e strutture destinate a processi come RTM, infusione e termocompressione.

Questo non significa che una fibra naturale possa sostituire automaticamente vetro o carbonio. La scelta va effettuata sulla base delle prestazioni effettivamente richieste al componente e delle caratteristiche del processo.

Fibra di poliestere

La fibra di poliestere compare frequentemente nella lavorazione dei materiali compositi, ma va distinta sia dalla resina poliestere, che è una possibile matrice, sia dai principali rinforzi strutturali in vetro, carbonio e aramide.

Le fibre di poliestere vengono utilizzate per costruire peel ply tecnici. Questi tessuti non hanno la funzione primaria di rinforzare strutturalmente il laminato: vengono applicati durante la produzione e successivamente rimossi per controllare la superficie del componente o per prepararla ad operazioni secondarie quali incollaggio o verniciatura.

La distinzione è importante perché “tessuto tecnico utilizzato nella produzione di un composito” e “tessuto di rinforzo strutturale” non sono sinonimi.

Fibre speciali e tessuti di rinforzo 3D

Accanto a vetro, carbonio, aramide e lino esistono fibre speciali come il basalto, utilizzabile anche nella realizzazione di rinforzi multiassiali.

Il concetto di struttura tridimensionale richiede invece una distinzione. Nel mondo dei compositi esistono tecnologie tessili 3D, ma non devono essere confuse con i core strutturali con ponti tridimensionali in fibra di vetro, che svolgono una funzione differente all’interno di una costruzione sandwich.

Tessuti unidirezionali, bidirezionali e multiassiali

Il materiale della fibra è soltanto una parte della scelta. Una seconda variabile decisiva è l’orientamento delle fibre.

Nei tessuti unidirezionali o UD, le fibre sono concentrate prevalentemente lungo un asse. Questa configurazione permette di utilizzare il rinforzo soprattutto nella direzione principale della sollecitazione.

Nei tessuti bidirezionali vengono utilizzate due direzioni.

Nei tessuti multiassiali, più strati con orientamenti differenti vengono sovrapposti e mantenuti nella configurazione prevista dal progetto.

Tra le costruzioni utilizzate troviamo:

Queste configurazioni non sono semplici variazioni geometriche. Modificando direzione, quantità e numero degli strati cambia il modo in cui il rinforzo trasferisce i carichi all’interno del componente.

Cosa sono i tessuti multiassiali NCF?

I tessuti multiassiali e unidirezionali NCF, Non-Crimp Fabrics, mantengono le fibre sostanzialmente distese anziché intrecciarle secondo la tipica ondulazione dei tessuti.

Questa differenza è importante perché consente di orientare le fibre in modo mirato rispetto ai carichi. Nei NCF tipo di fibra, grammatura e combinazione degli angoli possono essere configurati per raggiungere caratteristiche meccaniche differenti.

Le fibre distese favoriscono l’assorbimento del carico lungo la direzione prevista; grammature elevate possono inoltre permettere di raggiungere la stratifica richiesta con un numero inferiore di strati. Drappeggiabilità e permeabilità possono essere adattate anche alle esigenze dei processi di infusione.

Non esiste quindi un unico “tessuto multiassiale”, esistono:

multiassiali in fibra di vetro,

multiassiali in carbonio,

multiassiali in aramide, lino e configurazioni ibride, con strutture differenti a seconda del componente.

Tessuti ibridi

I tessuti ibridi combinano fibre differenti all’interno dello stesso sistema di rinforzo.

Lo scopo è utilizzare nello stesso componente caratteristiche provenienti da materiali diversi, configurando il rinforzo in funzione delle esigenze progettuali.

SAERTEX®, partner Mascherpa contempla infatti sia fibre processate singolarmente sia combinazioni ibride e utilizza, per esempio, strutture vetro-carbonio in applicazioni industriali.

Un multiassiale ibrido non va quindi identificato soltanto dalla sua geometria: devono essere specificati anche i materiali che costituiscono i diversi strati e il loro orientamento.

Come orientamento, grammatura e numero degli strati cambiano le proprietà

Per selezionare correttamente un tessuto di rinforzo non basta scegliere tra le diverse tipologie di fibre. Tre variabili sono particolarmente importanti:

Orientamento delle fibre: deve essere collegato alla direzione dei carichi.

Peso superficiale o grammatura: modifica la quantità di fibra introdotta con ogni strato e deve essere considerato insieme allo spessore e alla stratifica richiesta.

Numero e sequenza degli strati: possono essere modificati per costruire il comportamento desiderato nelle diverse direzioni del laminato.

A questi fattori si aggiungono tipo di fibra, geometria, resina e processo. È proprio dalla combinazione di fibra, peso superficiale e orientamento che possono essere ottenute caratteristiche meccaniche differenti.

Tessuto e resina devono essere considerati come un sistema

Il tessuto di rinforzo diventa parte del materiale composito quando viene combinato con la matrice.

Questo vale tanto per il sistema resina-fibra di vetro quanto per carbonio, aramide o fibre naturali. La corretta compatibilità non può essere data per scontata: va verificata in funzione del prodotto specifico e del processo.

I tessuti multiassiali per esempio possono essere configurati per lavorare con diversi sistemi di matrice, tra cui:

• epossidici,
• poliestere insaturo,
• vinilestere,
• poliuretano,
• alcune matrici termoplastiche.

Ne deriva una regola pratica: non si sceglie prima il tessuto e successivamente una resina qualsiasi. Rinforzo, matrice e processo devono essere valutati insieme.

Tessuti di rinforzo per RTM e infusione

Nei processi RTM, RTM Light e infusione, la capacità della resina di attraversare e impregnare correttamente il tessuto di rinforzo è una variabile determinante.

Per questo, oltre alle proprietà meccaniche, acquistano importanza permeabilità, drappeggiabilità e comportamento del rinforzo durante il riempimento dello stampo.

I NCF possono essere configurati specificamente per questi processi. Esistono inoltre soluzioni che integrano rinforzo e funzioni dedicate al flusso della resina.

SAERcore®, per esempio, combina strati di chopped strand mat con una zona progettata per il flusso della resina; nella configurazione SAERcore® MAX possono essere integrati anche rinforzi multiassiali in vetro, carbonio o aramide.

SAERflow combina invece un rinforzo in vetro con una struttura sintetica leggera e viene utilizzato come mezzo di flusso interno nei processi di infusione.

Questo evidenzia perché i tessuti di rinforzo per RTM non devono essere selezionati considerando soltanto la resistenza finale: occorre verificare anche come il materiale si comporta durante l’iniezione e l’impregnazione.

Tessuti e nastri per pultrusione

La pultrusione è un processo continuo nel quale fibre, nastri e tessuti vengono impregnati con una matrice e trascinati attraverso una matrice riscaldata.

Nel processo possono essere utilizzati rinforzi in fibra di vetro, carbonio e aramide sotto forma di fibre continue, nastri, tessuti unidirezionali e tessuti multiassiali.

Nella pultrusione della fibra di vetro o del carbonio la configurazione del rinforzo deve essere definita insieme al sistema di resina e ai parametri della linea.

Tessuti secchi e pre-preg

Un tessuto di rinforzo può entrare nel processo come materiale secco oppure essere già combinato con una quantità controllata di resina sotto forma di pre-preg.

Nel tessuto secco, impregnazione e gestione della resina avvengono durante il processo produttivo. Nel pre-preg, invece, le fibre sono già preimpregnate con una resina non completamente reticolata, consentendo di controllare a monte la quantità di matrice presente nel materiale.

La scelta tra tessuto secco e pre-preg dipende quindi dal processo, dai requisiti del componente e dal livello di controllo produttivo richiesto.

In quali industrie vengono utilizzati i tessuti di rinforzo?

La possibilità di intervenire su materiale, orientamento e architettura rende i tessuti di rinforzo utilizzabili in settori molto differenti.

Aerospaziale e difesa: i tessuti multiassiali in carbonio permettono di sviluppare strutture nelle quali contenimento del peso e prestazioni meccaniche sono requisiti centrali. Carbonio e aramide trovano inoltre impiego dove sono richieste stabilità strutturale ed elevata capacità di assorbimento dell’energia.

Automotive e mobilità: tessuti di rinforzo in vetro e carbonio vengono utilizzati per componenti leggeri e strutturali; anche le fibre naturali trovano spazio in applicazioni dove peso e comportamento vibrazionale sono parametri progettuali.

Marina: vetro, carbonio e lino possono essere impiegati in scafi, ponti, sovrastrutture e componenti interni, attraverso processi aperti o chiusi come infusione e RTM.

Energia eolica: Tessuti UD e multiassiali in vetro e carbonio vengono utilizzati in differenti parti delle pale, con orientamenti specifici a seconda della funzione strutturale.

Infrastrutture: i compositi in fibra vengono utilizzati anche per componenti leggeri, resistenti alla corrosione e destinati a strutture e riabilitazione infrastrutturale. Questo ambito va però distinto dai sistemi FRCM o CRM per il consolidamento edilizio, che rispondono a logiche, matrici e normative differenti.

Sport e leisure: carbonio, vetro e fibre naturali vengono impiegati quando il progetto richiede combinazioni specifiche di peso, rigidezza, assorbimento delle vibrazioni e design.

Come scegliere un tessuto di rinforzo

Non esiste un tessuto migliore in assoluto. La scelta deve partire dal comportamento richiesto al componente finito.

Il primo parametro è la direzione dei carichi. Se la sollecitazione prevale lungo un asse, un rinforzo unidirezionale può concentrare le fibre dove servono. Se il componente lavora in più direzioni, una struttura biassiale, triassiale o quadriassiale permette una distribuzione differente del rinforzo.

Va poi valutata la fibra. Vetro, carbonio, aramide e fibre naturali presentano caratteristiche e costi diversi e rispondono a esigenze progettuali differenti.

Infine entrano in gioco grammatura, drappeggiabilità, permeabilità, geometria dello stampo, matrice e processo di produzione. Un tessuto adatto a una stratificazione semplice non è automaticamente quello più efficiente per un componente complesso prodotto in RTM o per infusione.

La scelta corretta nasce quindi dall’analisi congiunta di:

carichi → fibra → orientamento → grammatura → stratifica → resina → processo → geometria del componente.

È questa sequenza, più che il nome della fibra da solo, a definire il rinforzo più adatto.

Casi applicativi Mascherpa con fibre e tessuti di rinforzo

La scelta delle fibre e dell’architettura del tessuto di rinforzo cambia in funzione del componente, delle sollecitazioni e degli obiettivi del progetto. Le collaborazioni tecniche seguite da Mascherpa mostrano come fibre di lino, vetro e carbonio possano essere utilizzate singolarmente o combinate per ottenere strutture composite progettate in funzione dell’applicazione.

Fibra di lino, vetro e carbonio per lo skiff Alba

Nel progetto Alba, sviluppato con Revel Sailing Team, i tessuti di rinforzo sono stati selezionati con particolare attenzione sia alle prestazioni sia alla sostenibilità dell’imbarcazione.

Per la realizzazione dello scafo sono stati utilizzati tessuti SAERTEX® in fibra di lino e fibra di vetro, mentre la fibra di carbonio è stata impiegata nelle appendici, dove era necessario contenere il peso mantenendo un’elevata rigidità strutturale.

Nel dettaglio, il progetto ha previsto:

SAERTEX® X-F-420 g/m² in fibra di lino: utilizzato come rinforzo con l’obiettivo di integrare nel laminato una fibra naturale caratterizzata da buona drappeggiabilità e bagnabilità;

SAERTEX® X-E-444 g/m² in fibra di vetro: scelto per contribuire alla resistenza strutturale dello scafo;

SAERTEX® X-C-406 g/m² in fibra di carbonio: utilizzato per le appendici per ottenere elevata rigidità con un peso contenuto.

Le grammature e le configurazioni biassiali sono state definite in funzione delle diverse sollecitazioni dello scafo. Il progetto mostra quindi concretamente come materiali di rinforzo differenti possano essere combinati all’interno dello stesso composito, assegnando a ciascuna fibra una funzione specifica nella struttura.

Fibra di carbonio nei componenti della Moto3 del Politecnico di Milano

Un altro esempio arriva dalla collaborazione con il Polimi Motorcycle Factory, il team del Politecnico di Milano impegnato nello sviluppo di prototipi motociclistici da competizione.

Nel progetto per la Moto3, i materiali compositi costituiscono circa l’80% delle strutture realizzate dal team. Componenti come forcellone, carene, parafanghi, sella e codino sono stati prodotti utilizzando fibra di carbonio in differenti configurazioni, tra cui carbonio tradizionale, tessuto intrecciato e carbonio riciclato.

In questo caso il progetto evidenzia un altro aspetto importante della lavorazione dei compositi: parlare genericamente di fibra di carbonio non basta a definire il rinforzo. La forma con cui la fibra viene utilizzata, la sua disposizione e la stratifica devono essere adattate alla geometria e alla funzione del singolo componente.

Tessuti di rinforzo SAERTEX® per materiali compositi

Tra le soluzioni Mascherpa per i materiali compositi rientrano i tessuti di rinforzo SAERTEX®, disponibili in configurazioni multiassiali realizzate principalmente con fibre di vetro, carbonio e aramidiche.

Tipo di fibra, grammatura e orientamento possono essere combinati in funzione delle prestazioni richieste al componente e del processo produttivo. I rinforzi possono essere utilizzati in processi come infusione sotto vuoto, RTM, pultrusione, prepreg e compressione.

Accanto ai tessuti multiassiali, la gamma SAERTEX® proposta da Mascherpa comprende soluzioni sviluppate per semplificare la posa dei rinforzi e ottimizzare la lavorazione del composito.

SAERfix® permette, ad esempio, di utilizzare tessuti multiassiali autoadesivi in vetro, carbonio o aramidica, facilitandone il posizionamento nello stampo senza ricorrere ad adesivi spray aggiuntivi.

Per i processi a stampo chiuso sono disponibili inoltre SAERcore®, sviluppato per RTM, RTM Light e infusione e progettato per favorire il flusso della resina, e SAERflow®, che combina un rinforzo in fibra di vetro con una struttura sintetica leggera utilizzata come mezzo di flusso interno durante l’infusione.

Queste soluzioni permettono quindi di lavorare non soltanto sulla fibra e sull’orientamento del tessuto, ma sull’intero comportamento del rinforzo durante la produzione del componente, dalla posa nello stampo fino all’impregnazione con la resina. La scelta va effettuata considerando geometria, stratifica, matrice e processo produttivo previsto.

Domande frequenti sui tessuti di rinforzo

Tessuti di rinforzo: scegliere il materiale significa progettare il materiale composito al meglio

La prestazione di un materiale composito non dipende da una singola fibra.

Tipo di fibra, orientamento, struttura del tessuto, grammatura, numero degli strati, matrice e processo produttivo devono essere considerati come un unico sistema.

Per questo la selezione di un tessuto di rinforzo dovrebbe partire dalle condizioni di lavoro del componente e tradurle in una configurazione tessile coerente:

• unidirezionale quando occorre concentrare il rinforzo,
• multiassiale quando sono presenti carichi differenti,
• fibra di vetro quando viene ricercato un equilibrio tra prestazioni e costo,
• fibra di carbonio quando peso e rigidezza assumono particolare importanza,
• fibra di aramide quando diventano centrali tenacità e assorbimento dell’energia,
• fibre naturali quando requisiti tecnici, design e sostenibilità possono essere integrati nello stesso progetto.

Mascherpa affianca le aziende nella scelta di tessuti di rinforzo, sistemi di resina e materiali per i processi produttivi dei compositi, valutando la soluzione in funzione dell’applicazione e delle condizioni effettive di produzione. Per maggiori informazioni sui tessuti di rinforzo contatta gli esperti Mascherpa.