Airtech porta nel settore aerospaziale strumenti compositi pronti per la produzione

Da quando è stato fondato nel 1973, Airtech Advanced Materials Group è stato strettamente legato all’industria aerospaziale. L’azienda, che oggi serve molti settori, ha iniziato con la missione di fornire ai produttori aerospaziali i materiali per utensili compositi di cui avevano bisogno per produrre componenti resistenti e leggeri realizzati in fibra di vetro e fibra di carbonio. Nel corso degli anni, mentre l’azienda è cresciuta e le sue soluzioni si sono evolute, in particolare con l’aggiunta della sua tecnologia di produzione additiva su larga scala, il settore aerospaziale rimane ancora una delle principali basi di clienti dell’azienda per gli utensili compositi.

La soluzione Print-Tech di Airtech

Il rapporto sempre più forte tra Airtech e il settore aerospaziale è dovuto all’impegno di Airtech nell’avanzare ulteriormente le proprie tecnologie e materiali compositi per gli utensili per soddisfare i severi requisiti del settore aerospaziale in continua evoluzione. Le tecnologie di produzione additiva hanno svolto un ruolo importante in questo. Nel 2019, Airtech ha lanciato Print-Tech, un servizio additivo su larga scala per la produzione di utensili compositi, come dispositivi di rifinitura, dispositivi di tenuta, stampi per layup e altro ancora.

La soluzione Print-Tech utilizza una tecnologia di stampa basata sull’estrusione, in grado di produrre parti sagomate near-net su una scala di 12 x 3 metri, nonché una fase post-processo di lavorazione di precisione per garantire che gli utensili finali abbiano le tolleranze richieste. Questo approccio ibrido consente ai produttori di accelerare i tempi di consegna e ridurre i costi di attrezzaggio e produzione.

Parallelamente al lancio del servizio AM nel 2019, Airtech ha anche introdotto una gamma di resine composite polimeriche con il marchio Dahltram. Questi materiali, come afferma sinteticamente l’azienda: “soddisfano l’intera gamma di requisiti di attrezzamento per le industrie di produzione di compositi”. Settori come l’automotive, la nautica, l’energia e il nostro focus principale, l’aerospaziale.

La gamma Dahltram comprende cinque resine per utensili rinforzate con fibre di vetro o fibre di carbonio. Sono:

• Dahltram S-150CF: un ABS modificato con rinforzo in carbonio ideale per applicazioni a bassa temperatura come prototipazione rapida, strumenti di rifinitura, modelli master a bassa temperatura e stampi per fusione in metallo.
• Dahltram C-250CF: un PC modificato con rinforzo in fibra di carbonio ideale per applicazioni a media temperatura.
• Dahltram C-250GF: un PC modificato con rinforzo in fibra di vetro ideale per applicazioni a media temperatura ed è stato specificamente formulato per applicazioni di formatura dell’alluminio, come la formatura per stiramento o l’idroformatura.
• Dahltram I-350CF: un PEI modificato con rinforzo in fibra di carbonio ideale per applicazioni ad alta temperatura come utensili per la formatura a caldo, stampi per autoclavi e stampi per forni.
• Dahltram U-350CF: un PESU modificato con rinforzo in fibra di carbonio ideale per applicazioni ad alta temperatura.

Casi d’uso di Dahltram nel settore aerospaziale

L’intera gamma Dahltram è compatibile con le attrezzature per additivi su larga scala di Airtech e con numerose altre piattaforme di stampa. Ad esempio, nel 2021 l’azienda aerospaziale britannica BAE Systems ha commissionato uno stampo per alte temperature realizzato con Dahltram I-350CF utilizzando la piattaforma MasterPrint di Ingersoll Machine Tools. Lo strumento in questione era uno stampo per la carenatura di un aereo da combattimento di nuova generazione ed è stato sottoposto con successo a cicli in autoclave a 180 °C (355 °F) e 7 bar (100 psi).

Airtech ha anche progettato e costruito uno stampo AFP (Automated Fiber Placement) su larga scala per un’azienda di aerei elettrici a decollo e atterraggio verticale. Questo stampo in particolare mette in mostra le complesse geometrie che la manifattura additiva può realizzare per attrezzature composite, anche su larga scala (la parte finale misura 4,3 x 2 metri). “Lo strumento molto intricato evidenzia davvero come il design dello strumento può cambiare per aiutare ad alleggerire la struttura”, afferma Zach Skelton, Senior Technical Support Engineer presso Airtech.

Il grande stampo AFP è stato costruito presso il Center of Innovation di Airtech in Tennessee utilizzando Dahltram C-250CF ed è composto da quattro pezzi e due dettagli rimovibili. Lo strumento ha beneficiato anche di un’analisi pre-stampa. Skelton spiega: “La nostra conoscenza avanzata delle prestazioni dei nostri materiali una volta stampati ha consentito a questa struttura di sottoporsi a un’analisi delle sollecitazioni prima della stampa”.

Naturalmente, queste due applicazioni sono in realtà solo la punta dell’iceberg: la tecnologia additiva di Airtech e la sua gamma di resine per utensili Dahltram sono oggi utilizzate da numerosi OEM e subappaltatori aerospaziali per attrezzature personalizzate, maschere e fissaggi, attrezzature per infusione, stampi per autoclavi e stampi per la formatura dei metalli.

Una svolta nello stampaggio in autoclave

Nell’industria aerospaziale, le autoclavi sono comunemente utilizzate per lavorare e polimerizzare materiali compositi sottoponendoli a temperature e pressioni specifiche. Questo processo viene tipicamente utilizzato con materiali prepreg e funziona per indurire completamente le resine polimeriche nei fogli compositi in fibra per garantire che le parti finali soddisfino i severi requisiti del settore aerospaziale.

Il processo di stampaggio dei materiali prepreg e la loro polimerizzazione all’interno di una camera dell’autoclave stessa richiede l’uso di strumenti per stampi. Per ovvie ragioni, questi utensili devono essere in grado di resistere alle alte temperature e pressioni dell’autoclave, preferibilmente per più cicli. Tradizionalmente, gli utensili per stampi in autoclave erano realizzati in metallo o in compositi fabbricati convenzionalmente. In entrambi i casi, tuttavia, i tempi di consegna ei costi degli utensili erano elevati.

Gli strumenti Print-Tech di Airtech e la sua gamma di resine Dahltram offrono un’alternativa di cui molti OEM del settore aerospaziale sono comprensibilmente entusiasti. Il processo ibrido additivo-sottrattivo consente agli utenti di produrre rapidamente stampi ad alta precisione da materiali in grado di resistere a vari gradi di temperature e pressioni dell’autoclave. Come afferma Skelton: “Tutti i nostri materiali sono integrali sottovuoto e autoclavabili per le rispettive temperature di utilizzo, senza la necessità di alcun rivestimento secondario”.

La resina Dahltram I-350CF dell’azienda si distingue in particolare per le applicazioni di stampaggio in autoclave aerospaziale. Il materiale a base di PEI con rinforzo in fibra di carbonio ha recentemente superato i 500 cicli in autoclave a 350°F (176°C) e 100 psi (7 bar) senza alcun segno di cedimento. Il test del ciclo termico dell’autoclave è stato effettuato presso la struttura all’avanguardia di Airtech a Huntington Beach, in California. Lì, gli specialisti dei compositi hanno prestato particolare attenzione al monitoraggio della stabilità dimensionale e dell’integrità del vuoto dello stampo layup.

Airtech ha inoltre condotto un’indagine termica sullo stampo composito, nonché controlli di perdite elevate e pressurizzate, analisi a lungo termine della stabilità dimensionale, analisi della finitura superficiale, fabbricazione e ispezione delle parti e analisi microscopiche. Questi test post-autoclave hanno confermato che lo strumento composito stampato in 3D può resistere alla pressione dell’autoclave e alle sollecitazioni termiche per oltre 500 cicli.

Airtech scrive della recente pietra miliare dei test: “Diversi programmi di sviluppo sono stati avviati a causa del successo nella fabbricazione di strumenti per autoclavi, ma il loro intento era per una produzione limitata di prototipi. Lo scopo di questo test è convalidare Dahltram I-350CF per il servizio continuo in autoclave e stabilire la durata dell’utensile da cinquecento cicli termici in autoclave… Analisi a lungo termine nel monitoraggio della stabilità dimensionale, integrità del vuoto, finitura superficiale, qualità delle parti e ispezione microscopica tutte sono state condotte mostrando ottimi risultati”.

I recenti test in autoclave segnano l’inizio della fase successiva per gli strumenti stampati in 3D compositi di grande formato. Una volta adatti principalmente per la prototipazione o scale di produzione limitate, gli strumenti compositi Airtech sono sempre più adatti per cicli di produzione più grandi con lavorazione in autoclave. “I test evidenziano che gli strumenti stampati non solo possono essere utilizzati per la prototipazione rapida o per basse tirature di produzione, ma sono perfettamente in grado di soddisfare i rigori dell’uso in piena produzione”, sottolinea Skelton.

I risultati del test saranno di interesse per industrie come quella aerospaziale che si affidano all’elaborazione in autoclave nei loro flussi di lavoro di produzione di compositi. Ora, i vantaggi della soluzione Print-Tech di Airtech e dei materiali Dahltram possono essere ulteriormente massimizzati non solo per applicazioni di grande formato, ma anche per volumi di produzione su larga scala.

I risultati completi dei test sugli stampi in autoclave sono stati recentemente dettagliati in un white paper pubblicato da Airtech, che può essere scaricato tramite i canali ufficiali di Airtech.