filament winding: un piccolo esperimento

"Un piccolo passo per uomo, un grande passo per un auto-costruttore" (parafrasando Armstrong quando iniziò la sua passeggiata lunare).

---
a sx il particolare così come estratto dallo stampo - a dx il particolare "finito"


Trattasi di un piccolo manufatto fatto "alla veloce" per realizzare il castello motore di un aeromodello radio-comandato che sto costruendo per un amico:





Il motivo della pomposa introduzione è perché dopo tanto scrivere e rimuginare sull'uso della tecnica di filament winding, ho avuto l'occasione per fare un primo esperimento pratico.

Il risultato è interessante, anche se l'oggetto è stato realizzato veramente alla garibaldina:
- pseudo stampo (non ho le foto) in polistirene; in pratica mi è servito per tenere in posizione il pezzo di compensato su cui si avvita il motore ed i 2 tubetti che serviranno per il fissaggio del castello motore alla fusoliera tramite viti
- qualche prova di avvolgimento fatta con dello spago
- avvolgimento del rowing di carbonio non impregnato (questa è la "porcheria" di questa realizzazione, applicata per pura pigrizia)
- resinatura
- distruzione "meccanica" dello pseudo stampo (cioè non ho sciolto il polistirene, ma l'ho tolto con un cacciavite; l'unico accorgimento applicato è stato quello di rivestire con dello scotch le superfici del polistirene dove sarrebbe poi stato avvolto e resinato il rowing, questo per facilitare il distacco a polimerizzazione avvenuta)
- rifinitura del tutto con dremel

L'oggetto è molto rigido e leggerissimo.
Sarebbe stato più finito ed ulteriormente leggero se avessi impregnato il rowing prima dell'avvolgimento.
La rigidezza che si ottiene anche solo con 2 rowing sovrapposti è impressionante.

Questo esperimento pratico conferma che:
- la tecnica del filament winding è facilmente applicabile
- permette di realizzare strutture leggere e rigide
- non richiede stampi particolarmente complessi, studiando prima "a tavolino" l'oggetto che si vuole ottenere ed il passaggio del rowing
- utilizza un quantitativo minimo di materiale composito e di resina; in pratica solo quello che serve, visto che gli scarti sono minimi
E' un po' come "unire i puntini" degli schemi della settimana enigmistica, solo che si sviluppa in ambito tridimensionale.



Sviluppi futuri.
Credo di avervi già annoiato a sufficienza in post precedenti ... Diciamo che "prima o poi" mi piacerebbe realizzare con questa tecnica un particolare strutturale di una futura bici ... o addirittura l'intero telaio

... to be continued ...

*******************************************
Qui di seguito alcuni link relativi a discussioni in cui sproloquiavo di "filament winding":
- https://bicireclinateitalia.forumfree.it/?t=78277870
- https://bicireclinateitalia.forumfree.it/?t=77259853
- https://bicireclinateitalia.forumfree.it/?t=77259853&st=15
- https://bicireclinateitalia.forumfree.it/?t=76247167&st=15
- https://bicireclinateitalia.forumfree.it/?...511485#lastpost

Ed il link ad un costruttore specializzato nella progettazione e realizzazione di strutture leggere per varie applicazioni:
- www.gradellw.com/
- www.gradellw.com/nextgen

... e pensare che sembra che tutto sia nato da questo porta-borraccia ...
www.dream-bikes.it/shop_17/en/bott...cage-10-gr.html



Edited by recumbent - 16/4/2023, 09:00

bitzo

Carissimo, come sempre sei una fonte inesauribile di dubbi e domande ...

Avendo ricercato e letto molto a riguardo del filament winding, posso dirti che ci sono molte pubblicazioni che cercano di comparare possibili soluzioni per cercare di individuare la "migliore soluzione".
Alcune cercano di definire delle "regole" derivanti da test comparativi ... test che però sovente sono fatti su di un numero limitato di campione e che quindi rischiano di non essere statisticamente validi, altre cercano di realizzare degli automatismi che aiutino i progettisti individuando e suggerendo cosa sia meglio fare. Siamo abbastanza agli albori e tutto dipenderà da quanto prenderà piede questa tecnica in "ambiti che contano" (cioè in applicazioni che o per numeri di elementi prodotti o per valore dei prodotti finali giustificheranno i costi di sviluppo di programmi specifici).

Questa slide, ad esempio, cerca di definire la sequenza della progettazione di strutture reticolari realizzate con tecnica di filament winding:

LINK: www.semanticscholar.org/paper/3D-t...1c54f8d579163ff


Rimane a mio avviso un problema di fondo (che tu sottolineavi già tempo fa) che è quello della caratterizzazione del materiale. Un composito è per natura complesso, trattandosi di un materiale "anisotropo" (cioè un materiale che non ha caratteristiche uniformi, in quanto dipendenti dalla direzione delle fibre e dalla sovrapposizione di vari strati di tessuto ... abbinati alla presenza della resina!). Ma un filament winding ha delle caratteristiche ancora diverse: da una parte un roving prodotto industrialmente è abbastanza caratterizzabile (è un elemento "unidirezionale" costituito da un numero definito di fibre), ma poi si aggiungono di fatto una serie di variabili legate a come viene utilizzato per realizzare la "ragnatela" che costituisce il manufatto.

La ditta Gradel sembra essere tra le più avanti nell'applicazione del filament winding, ma anche alcuni istituti di ricerca non scherzano ... anche se con risvolti più teorici, visto il loro ruolo scientifico.
Un esempio di studio: https://thinkshell.fr/wp-content/uploads/2...20_15_Duque.pdf

Per le nostre applicazioni amatoriali, a parte un po' di "buon senso strutturale", non resta che provare a dimensionare con coefficienti di sicurezza abbondanti. e per quanto riguarda la modalità di "unire i puntini" non ci resta che fare delle prove (ad esempio con dello spago, segnandoci la sequenza dei vari passaggi). Tra l'altro, molte prove comparative non evidenziano dei risultati drammaticamente diversi tra le "n" possibili soluzioni ... e quindi tutto si appiana ancora di più adottando opportuni coefficienti di sicurezza.
Un aspetto su cui invece si deve porre l'attenzione è, a mio avviso, la modalità di impregnamento (?) del rowing con la resina: un rowing non ben impregnato delamina molto facilmente, perdendo immediatamente le caratteristiche strutturali auspicate! Poi, come i tutti i manufatti in composito, non sarebbe male far avvenire la polimerizzazione a temperatura controllata (ad esempio in un forno artigianale in cui la temperatura è ottenuta con delle lampade ad incandescenza controllate da un termostato ed in cui l'omogeneità del calore è garantita da una ventola di ricircolo dell'aria).
Eviterei poi di utilizzare tratti troppo lunghi, soprattutto se sollecitati a compressione, per evitare instabilità repentine e conseguenti rotture.

Questo lo eviterei:





Preferendo questo:





LINK: https://industrieanzeiger.industrie.de/tec...elt-aus-carbon/

Come sempre pro e contro da valutare con attenzione ...

Edited by recumbent - 16/4/2023, 21:22

bike71

Off-topic

Diciamo che con la scusa di costruire un aeromodello per un amico, sono partito da un vecchio progetto, rivisitandolo con un po' di tecniche apprese nel tempo, sia come ex-aeromodellista che come auto-costruttore di bici reclinate ... ed ho impegnato il cervello ed il tempo ...

Questo il modello quasi pronto al collaudo:



- Ala in polistirene tagliata con "filo caldo" e rivestita con carta da pacco incollata con colla vinilica diluita in acqua (come si usava fare negli anni '80 con i combat - categoria F2C del regolamento FAI, volo vincolato circolare)
- Fusoliera in polistirene da 30 mm di spessore e rivestita con compensato da 0,4 mm (una delle possibili soluzioni per realizzare telai per bici, anche reclinate)
- Castello motore realizzato in filament winding (tecnica utilizzata per strutture ultra-leggere basta su una delle varianti dell'additive manufacturing)
- Cono ventolina intubata ricavato da barattolo dello yogurt (arte del riciclo)

*********************************

In-topic:

Come evidenzi tu, ci sono alcuni accorgimenti costruttivi per far in modo che il rowing di carbonio impregnato di resina pesi il meno possibile e sia il più resistente possibile:
- impregnarlo prima del posizionamento
- eliminare quanto più possibile la resina in eccesso
- tendere il rowing in modo che le fibre rimangano vicine tra loro e che il "lato" della struttura reticolare risulti rettilineo, resistendo senza flessioni alla trazione ed, entro certi limiti, alla compressione
- ottenere una buona catalizzazione della resina, soprattutto in termini di temperatura ... in queste strutture tridimensionali è praticamente impossibile applicare il vuoto

... colpa mia se stiamo scivolando in un off-topic ...

***********************************************

Nel caso dell'aeromodello in figura, il polistirene ha i fianchi rinforzati con compensato da 4 decimi di millimetro (0,4 mm). E' un compensato "aeronautico" specifico per aeromodellismo.

Le reclinate con telaio polistirene + compensato sono, ad esempio, fatte con compensato da 2 mm incollato all'esterno di una lastra di polistirene da 50 mm.
Anche in questo caso si tratta di compensato aeronautico, non quello "da traforo" realizzato con pochi strati di pioppo.



Il principio strutturale dietro a questa tecnica si basa sul fatto che nel caso di una forza perpendicolare agli strati esterni (in compensato) le parti maggiormente sollecitate sono gli strati esterni, mentre il polistirene interno servo solo a far sì che le "pelli" lavorino in modo strutturale, senza scorrere tra di loro; nel caso della figura sotto riportata, lo strato superiore viene sollecitato a compressione e quello inferiore a trazione:



E' il principio comune ai pannelli cosiddetti "honeycomb", nati per avere leggerezza e robustezza.

In caso di forza parallela agli strati di compensato, è sempre il compensato che lavora, questa volta "a taglio".
Il compensato, seppur sottile, rimane in posizione senza creare sbandamenti instabili, grazie al polistirene che lo mantiene in piano.
E' lo stesso principio per cui è possibile salire su di una lattina per bibite quando è piena ... mentre si accartoccia subito se è vuota; si chiama "instabilità delle pareti sottili"

LINK ad un workshop del 2003 in cui vennero realizzate alcune reclinate: www.blids.nl/gallery/PlywoodRecumbentBuildingworkshop2003
Nota: una di queste partecipò anche ai mondiali di Monza nel 2011.

Una delle bici realizzate durante il workshop ha partecipato ai Mondiali di Monza nel 2011 ed il proprietario ci aveva percorso alcune migliaia di km anche per cicloturismo ... credo quindi che, con un minimo di buon senso progettuale, sia una soluzione valida.
Abbastanza difficile trovare compensato avio di quelle dimensioni e di soli 2 mm di spessore.

Già scritto da qualche altra parte: il compensato di betulla normale va bene per fare lavori di traforo, NON per strutture minimamente caricate ... a meno di spessori veramente importanti, con conseguenti peso ... a questo punto perché metterci in mezzo il polistirene ?!?

si hai ragione, stiamo invecchiando ...

Marzullo direbbe: "fatevi una domanda e datevi una risposta"

fine dell'off-topic