LA STRUTTURA A SANDWICH

LA STRUTTURA A SANDWICH
La costruzione a sandwich è “l’uovo di Colombo” per ottenere strutture leggere ed
estremamente rigide.
Negli stratificati semplici (omogenei) sottoposti a flessione, una delle parti esterne è
sollecitata a compressione e l’altra a trazione, mentre al centro, nell’asse neutro, la
sollecitazione è nulla . Per questa ragione la parte del materiale strutturale prossima
all’asse neutro non viene sfruttata al massimo delle sue potenzialità, perché non
sollecitata.
Distribuzione degli sforzi in un laminato semplice
F
S
faccia in compressione
asse neutro
faccia in trazione
L
Nella struttura a sandwich il materiale che deve essere sollecitato viene posto distante
dall’asse neutro di flessione, con i vantaggi di sfruttarlo integralmente aumentando il
momento di inerzia.
Distribuzione degli sforzi in una struttura a sandwich
compressione
asse neutro
trazione
La differenza sostanziale tra un laminato semplice e uno a sandwich sottoposti a flessione
è evidenziata dalla seguente formula, che indica gli sforzi massimi di trazione e
compressione:
M
con M = momento flettente
LS 2
= e W = modulo di resistenza
=
ove S è lo spessore dell’anima e L la luce
W
6
.
Nella struttura a sandwich la distribuzione degli sforzi ai vari livelli del laminato è lineare
(fig. 2)
Il sandwich è composto da un’anima in materiale leggero e incomprimibile, con le due
facce ricoperte da un laminato: la pelle, che è inestensibile. Sottoponendo questa
struttua a flessione, una delle pelli viene sollecitata a trazione e l’altra a compressione.
Dal momento che le pelli sono costituite da materiali con elevato modulo di Young, come
uno stratificato, oppongono una elevata resistenza a queste sollecitazioni, comportandosi
come materiali inestensibili e incomprimibili.
Fermo restando questo concetto, nella deformazione della struttura , le pelli sono costrette
ad avvicinarsi, a ridurre lo spazio che le separa, perché tendono a descrivere lo stesso
arco. Se le pelli sono distanziate da un materiale che non si comprime, il gioco è fatto: si
ottiene una struttura con una rigidità di gran lunga superiore a quella di un laminato di
spessore pari alla somma delle due pelli del sandwich.
Alla stregua di ciò, la struttura a sandwich consente di ridurre gli spessori delle pelli pur
mantenendo un’elevata rigidità.
Se nella costruzione di un manufatto in composito, sia necessario un laminato semplice di
5 mm. di spessore per garantire la dovuta rigidità, con il sistema a sandwich sono
sufficienti due pelli di 2 mm, ciascuna, o addirittura di 1,5 mm. per avere una rigidità pari o
addirittura superiore, con un risparmio del 20 - 40% sullo spessore dello stratificato.
L’altro elemento determinante della struttura a sandwich è lo spessore dell’anima:
maggiore è la distanza tra le pelli più alto è il momento di inerzia. Nel progettare una
struttura bisogna tener conto di questo fattore e trovare ll giusto compromesso tra lo
spessore delle pelli e lo spessore dell’anima, tenendo conto anche della sua resistenza
alla compressione. In genere nei materiali utilizzati come anima, specialmente negli
espansi, la resistenza alla compressione viene determinata dalla densità: un’alta densità
corrisponde ad una maggior resistenza alla compressione.
In teoria un’anima di spessore elevato da luogo ad una struttura più rigida; quindi si può
ricorrere anche ad un materiale a bassa densità; inoltre, se il pezzo non dovrà sopportare
forti sollecitazioni, si può ridurre anche lo spessore delle pelli, senza perdere in rigidità.
Man mano che si riduce la distanza tra le pelli, bisogna impiegare un’anima di densità più
elevata, perche sottoposta a flessione, l’anima risulta progressivamente più sollecitata a
compressione.
Questo concetto può essere spiegato paragonando alla leva: il momento aumenta in
proporzione inversa alla distanza tra il fulcro e la forza resistente
Naturalmente tutti questi elementi: spessore e densità dell’anima, e il tipo di stratificazione
delle pelli, devono essere adeguati alla sollecitazione cui verrà sottoposta la struttura: oltre
alla rigidità occorre tenere conto anche della resistenza agli urti, carichi concentrati e
sforzo di taglio, quindi bisogna dimensionarli adeguatamente,
Nelle costruzioni a sandwich, le pelli sono in genere in stratificato, con fibre di vetro, di
carbonio o di Kevlar. In alcuni pannelli si utilizza l’alluminio, oppure, per motivi estetici,
uno stratificato con la finitura in legno. L’anima può essere in diversi materiali a seconda
dell’impiego, purché dotati dei requisiti di leggerezza e resistenza alla compressione.
L’anima per eccellenza è quella con struttura alveolare a nido d’ape. In ordine di
prestazioni vi è quella in alluminio, utilizzata in prevalenza nel settore aeronautico. Un
altro materiale molto diffuso è In Nomex (carta in fibra aramidica impregnata con resina
fenolica.) utilizzato negli impieghi di alta tecnologia. Per lavori dove il fattore preso non è
determinante si utilizzana il nido d’ape in polipropilene o in policarbonato.
Le celle sono di forma esagonale, disponibili in varie dimensione, da 3 a 8 mm. che ne
determinano la densità. Quelle in alluminio e in Nomex vengono anche prodotte con la
cella rettangolare (esagono allungato) per migliorarne l’adattabilità nelle parti con forte
curvatura. Gli spessori delle lastre di uso corrente vanno da un minimo di 3 mm a 30 - 40
mm. Quelle in Npmex sono disponibili anche con spessori molto alti in quanto possono
essere tagliate nello spessore per ottenere ad esempio un profilo alare.
Nele costruzioni con il nido d’ape si utilizzano quasi esclusivamente fibre preimpregnate,
le quali devono polimerizzare a caldo in autoclave. Non si può impregnare il tessuto
direttamente sul nido d’ape altrimenti le celle si riempono di resina. L’unica alternativa in
questo caso è impregnare il tessuto su un foglio di Mylar e poi adagierlo sul nido d’ape e
pressare sotto vuoto. Questo tipo di costruzione richiede molta esperienza e viene
realizzato da aziende specializzate, con l’ausilio di attrezzature adeguate.
La condizione essenziale in una struttura a sandwich è la perfetta aderenza delle pelli
all’anima. E’ sufficiente una piccola zona con scarsa aderenza, che si propaga con le
sollecitazioni, per provocare il cedimento di tutta la struttura. Questo avviene in genere
nella parte soillecitata a compressione, dove la pelle, per scarsa aderenza tende ad
accartocciarsi.
La struttura a nido d’ape presenta un’area di incollaggio effettiva molto esigua, dato il
sottile spessore delle pareti delle celle. In compenso le resine, per effetto della capillarità
hanno la tendenza a bagnare una piccola quota della parete della cella, aumentando la
superficie di aggancio. Per avere un’idea sulle avvertenze necessarie nell’utilizzo di questi
materiali, ad esempio vi è l’accorgimento di non maneggiare i fogli del nido d’ape con le
mani nude, bisogna indossare guanti in cotone per non contaminali con il grasso delle
mani, che potrebbe compromettere l’adesione.
Il nido d’ape in polipropilene viene fornito con le due facce già ricoperte da un non tessuto
termosaldato. Questo serve ad assicurare l’aderenza delle pelli al polipropilene che
altrimenti sarebbe scarsa. Con questo tipo si eseguono in genere pannelli con le pelli in
vetroresina prefabbicate e incollate; l’adesivo, a base di resina, impregna il nontessuto
che determina l’aderenza. In genere il nido d’ape in polipropilene viene impiegato nella
costruzione di pannelli in edilizia
In tutti gli altri settori, specialmente in quello nautico, si utilizzano anime in materiale
espanso. La costruzione del sandwich risulta più semplice e non occorrono le particolari
attrezzature come per il nido d’ape. Si possono stratificare le pelli direttamente sul
pannello di espanso; se si dispone di un impianto per il vuoto, si può completare la
stampata del sandwich in una sola operazione. L’adesione delle pelli sulla superficie
dell’espanso è ottima, grazie agli alveoli, che presentano uno sviluppo di superficie
effettiva, maggiore dell’area del pannello,
Da diversi anni, i materiali espansi hanno avuto un notevole incremento nel settore
nautico, perché consentono drastiche riduzioni del peso. Inoltre offrono la possibilità di
costruire imbarcazioni con il sistema one off, senza la necessità di uno stampo, come
vedremo più avanti.
I materiali espansi utilizzati come anima sono polimeri; il più diffuso è il PVC espanso,
meglio conosciuto con il nome “Termanto”. E’ un espanso rigido a cellula chiusa fornito in
lastre, disponibile in diversi spessori e densità. Un’altro interessante materiale è il Roacel:
polimetacrylimide (PMI) più costoso ma con maggior resistenza alla compressione a
parità di densità. E’ un materiale molto rigido, poco adattabile alle superfici curve. Questi
materiali resistono bene ai solventi, quindi possono essere stratificati anche con le resine
poliesteri e le vinilesteri.
Lo Styrofoam è un polistirolo espanso estruso, a cellula chiusa molto compatta. Ha una
struttura completamente diversa dal normale polistirolo espanso che è composta da
“pallini” aggregati. Lo Styrofoam ha una cella finissima, quasi invisibile ed è disponibile in
un’unica densità di 45 kg./m3. Ha una resistenza alla compressione inferiore a quella del
PVC espaso, però offre un’ottimo compromesso tra qualità, peso e prezzo. Lo styrofoam
deve essere resinato solo con le epossidiche.
Anche il legno di balsa viene impiegato come anima. Contourkore sono blocchetti di balsa
tagliati perpendicolarmente al senso della vena e riassemblati in pannelli, con la vena di
testa per avere la maggior resistenza a compressione. Ha una densità di circa 90 kg/m3,
più elevata rispetto alla media degli espansi, però si ottengono manufatti estremamente
resistenti, grazie all’ottimo connubio con le resine, che riescono a penetrare nella
capillarità del legno, creando un eccellente legame tra le pelli e la struttura dell’anima .
Purtroppo non ha la diffusione che le spetterebbe nel settore nautico, in quanto ha
l’inconveniente, con il tempo di assorbire acqua e quindi appesantirsi. Questo può
avvenire sia per l’effetto dell’osmosi che attraverso minuscole lesioni, o interventi
successivi alla costruzione.
Il PVC espanso, come anche la balsa, vengono forniti in pannelli rigidi, o almeno che
consentono curvature ad ampio raggio. Per le forme più complesse o curvature di piccolo
raggio, è disponibile il tipo “quadrettato “ screen colth . Trattasi dello stesso materiale
rigido, però tagliato in piccoli quadrati di 3 cm, di lato, incollati su una garza in tessuto di
vetro che ha lo scopo di tenerli uniti. In questo modo il pannello risulta perfettamente
adattabile a qualsiasi superficie.
Dal momento che l’anima lavora a compressione, non perde assolutamente nulla in
resistenza a causa dei tagli della quadrettatura. Infatti nel disporre il pannello di espanso
per creare l’anima, non ha importanza che questo sia intero, può anche esse assemblato
con vari pezzi semplicemente accostati, ed ottenere identica resistenza meccanica.
In alternativa al tipo quadrettato, esistono degli espansi cosiddetti “ duttili” che possono
essere curvati o addirittura piegati ad angolo retto senza rompersi. Questi sono anche
termoformabili: si possono preformare con un fon industriale, e mantengono la forma
acquisita. Fino a spessori di 10 mm. questi possono essere arrotolati senza problemi,
quindi molto comodi per le spedizioni. Hanno però un costo più elevato rispetto ai tipi
rigidi.
Di seguito sono riportate le caratteristiche dei vari materiali da impiegare come anima
nelle costruzioni a sandwich:
Materiale
densità
resist. a compressione
Polistirolo espanso:
kg/m3 max 30
con resine epossidiche
kg. cm2: 3
si può usare solo
Styrofoam (polistirolo estruso)
45
“
7
si può usare solo con
resine epossidiche
Poliuretano espanso ( in genere non si utilizza perchè risulta molto pesante a parità di
resistenza meccanica)
PVC espanso
55
9
lavori done n
65;
75; 90
Esecuzione:
Come già accennato, l’anima in espanso è quella maggiormente utilizzata nelle
costruzioni a sandwich, in quanto si rivela molto versatile e non richiede particolari
attrezzature come nel caso del nido d’ape. Per questa ragione focalizzeremo l’attenzione
sulle modalità esecutive delle strutture con questo tipo di anima.
La costruzione più semplice è quella del pannello piano. Si predispone una base per
lavorare con la superficie liscia, ottimo un pannello rifinito in laminato, trattato con cera
distaccante per evitare che vi adereiscano eventuali colature di resina. Si appoggia
l’anima in espanso e vi si applica a rullo una mano di resina da impregnazione. Si attende
10 - 15 minuti in modo che la resina bagni bene la superficie penetrando negli alveoli.
Dopodiché si procede con la stratificazione. Dopo l’indurimento, si capovolge il pannello e
si procede allo stesso modo sull’altra faccia. E’ molto importante stratificare sull’anima e
mai appoggiare l’anima sullo stratificato, a meno chè non si disponga del vuoto.
Con questo sistema entrambe le superfici delle pelli risultano grezze, mostrano il rilievo
della tramatura delle fibre.
Utilizzando il vuoto si può ottenere il sandwich, stratificando le due facce in una sola fase.
Questo sistema offre inoltre la possibilità di ottenere le superfici già con la finitura
desiderata, che può essere: lucida a specchio, sia gelcottata che non, se si vuole il
carbonio a vista, oppure applicando un peel ply, che verrà poi strappato per avere la
finitura ruvida, nel caso la struttura debba essere verniciata o incollata. Si possono anche
eseguire le due pelli con finiture diverse, come ad esempio una rifinita lucida e l’altra con il
peel ply. In base a questa scelta si può procedere con i metodi sotto indicati.
Entrambe le superfici gelcottate: si stratificano le due pelli separatamente su due pellicole
distaccanti come il Mylar, le quali agiscono da stampo. Si tagliano con una buona
maggiorazione rispetto al pannello e si stendono una affianco all’altra sul piano, fissandole
negli angoli con del nastro adesivo. Si applica una mano di gel coat su entrambe le
pellicole, dopo l’essiccazione si stratifica con lo stesso procedimento di stratificazione su
stampo.
Avvertenza: quando si inizia a impregnare le pelli, ricordarsi di applicare una mano di
resina su entrambi i lati dell’anima in espanso in modo che abbia il tempo di bagnarsi
bene intanto che si stratifica.
SCHEMA
Subito di seguito si appoggia il pannello in espanso su una delle pelli appena stratificata, e
vi si adagia l’altra pellicola con lo stratificato rivolto verso il pannello. E’ consigliabile
eseguire questa operazione con l’aiuto di un’altra persona, in modo da mantenere la
pellicola tesa durante il capovolgimento, altrimenti se si piega lo stratificato potrebbe
attaccarsi su se stesso con spiacevoli conseguenze. Bisogna sollevare la pellicola
tenendola nei bordi, facendo attenzione a non imbrattarla con la resina. Lo stratificato
rimane perfettamente aderente alla pellicola data la collosità della resina, e non si stacca
anche se si capovolge. Dopo di ciò si procede con l’applicazione del vuoto, come
vedremo più avanti.
SCHEMA
Nel caso del carbonio a vista, senza gel coat coprente, il procedimento è più semplice.
Occorrono sempre due pellicole di Mylar, però si stratifica su una sola, l’altra servirà poi
da elemento distaccante.
Carbonio a vista in entrambi i lati: (modificare il testo seguente adattandolo ai disegni) Si
stende il foglio di Mylar e vi si applica una mano di finish acrilico. Dopo l’essiccazione si
impregna il primo tessuto di carbonio, seguendo gli accorgimenti della stratificazione con il
carbonio a vista, e si completa la prima pelle. Si appoggia il pannello in espanso,
previamente bagnato di resina, e quindi si stratifica la seconda pelle. Appena ultimata
questa operazione vi si stende sopra l’altra pellicola di Mylar. Per eliminare le sacche
d’aria, si passa una spatola di gomma, agendo con moderata pressione dal centro verso
l’esterno. In questo modo si elimina tutta l’aria e l’eccesso di resina dallo stratificato, e la
superficie apparirà perfettamente lucida e priva di difetti. Accorgimento: per agevolare
lo scorrimento della spatola, cospargere il Mylar con del borotalco.
Per avere una superficie perfettamente piana e priva di ondulazioni, bisogna appoggiare
una lastra rigida in laminato, direttamente sopra il Mylar, avendo cura di eliminare ogni
impurità dalle superfici a contatto. Sopra questa si stende il feltro aeratore e quindi il
sacco per il vuoto. La rigidità della lastra assicura la perfetta planarità ed evita che la
rugosità del feltro aeratore venga impressa , con la pressione del vuoto, sulla superficie
lucida dello stratificato.
Superfici rifinite a peel ply. Si stende il telo di peel ply sul Mylar e vi si stratifica
direttamente la prima pelle. Si appoggia il pannello di espanso e vi si stratifica la seconda
pelle, applicando come ultimo strato il peel ply. A questo punto si possono scegliere due
strade: applicare direttamente il feltro aeratore sopra il peel ply, oppure inserire una lastra
rigida, come indicato nel caso precedente. Con il primo sistema la superficie della pelle
superiore, dopo lo strappao del peel ply, potrebbe risultare con una planarità inperfetta;
mentre se si inserisce la lastra rigida, la superficie risulta perfettamente piana.
Sempre con lo stesso sistema si possono ottenere le pelli con la finitura diversa, come ad
esempio una faccia gelcottata e l’altra con peel ply o carbonio a vista, oppure una con
peel ply e l’altra lucida.
Applicazione del vuoto: Come già accennato, per ottenere il sandwich con le due pelli in
una sola operazione, è necessaria l’azione del vuoto in modo da garantire la perfetta
adesione delle pelli con l’espanso. La tecnica è la stessa dello stampaggio sotto vuoto; in
questo caso la pellicola di Mylar è l’elemento distaccante che agisce da separatore, il
quale inoltre ha la proprietà di lasciare la superficie lucida.
Strutture a sandwich di forma complessa
Per ottenere manufatti sagomati, occorre necessariamente operare su uno stampo,
predisposto per l’applicazione del vuoto. In questo caso si utilizzano anime in espanso del
tipo quadrettato, che possono seguire le forme dello stampo.
Il procedimento è lo stesso dei pannelli rigidi. Si stratifica la prima pelle direttamente sullo
stampo trattato con agenti distaccanti e si adagia l’anima nel giusto verso di curvatura.
(inserire schema del pannello quadreettato in curva) Per facilitarne l’adattamento,
l’espanso può essere tagliato in varie parti, sagomati in base alla conformazione e
posizionati in modo da farli combaciare di testa, senza lasciare zone vuote. La
frammentazione dell’anima non influisce assolutamente sulla resistenza della struttura, dal
momento che questa lavora solo in compressione. Terminata questa operazione si
stratifica la seconda pelle e quindi si applica il vuoto.
SCHEMA
Nei manufatti di grosse dimensioni, o con superfici molto estese, come nel caso di una
imbarcazione, risulta assai difficile e rischioso ottenere il sandwich completo con le due
pelli in una sola operazione, in quanto non si ha il tempo di portare a termine tutto il lavoro
prima che la resina inizi ad indurire. Conviene quindi procedere in due o tre tempi, in
base alle difficoltà che si possono incontrare durante il lavoro, e alle proprie capacità.
Il sistema in due tempi consiste nelle seguenti operazioni: stratificare la prima pelle sullo
stampo; adattare l’anima in espanso e applicare il vuoto per assicurare l’adesione
dell’anima alla pelle. In questo caso non occorre sprecare il peel ply ed il feltro aeratore, si
applica direttamente il sacco a vuoto a contatto dell’espanso quadrettato, il quale si
comporta come ottimo elemento drenante. Tuttalpiù per sicurezza si può intercalare un
microforato per evitare che della resina in eccesso vada ad aderire al sacco. Dopo
l’indurimento si toglie il sacco e si stratifica la seconda pelle. Questa andrà ad aderire
perfettamente all’espanso, senza la necessità questa volta del vuoto.
Il sistema in tre tempi richiede più tempo ma da la possibilità di operare con tutta
sicurezza, specialmente nelle superfici molto estese, e non richiede l’utilizzo del vuoto. Si
stratifica la prima pelle e alla fine si applica un telo peel ply, il quale avrà lo scopo di
assicurare l’adesione dei successivi strati. Dopo l’indurimento si strappa il peel ply e si
procedere con l’applicazione dell’anima in espanso, la quale deve essere incollata alla
pelle con un bonder o adesivo epossidico. Il bonder può essere preparato al momento,
miscelando resina epossidica con delle microsfere cave, fino ad ottenere un impasto
abbastanza consistente da essere applicato con una spatola dentata, e capace di
mantenere ben accostata l’anima in espanso. Questa operazione deve essere eseguita
con cura; l’anima deve aderire perfettamente alla pelle in tutta l’estensione, non devono
esserci vuoti o zone prive di adesivo, La buona adesione fra i due strati è la condizione
essenziale per garantire l’esito del lavoro.
Quando l’adesivo è indurito, si controlla la regolarità della superficie, e se occorre si
interviene carteggiando eventuali rilievi, o colmando con dello stucco, preparato come il
bonder, gli spazi vuoti nelle giunzioni dell’espanso. e si procede con la stratificazione della
seconda pelle, come spiegato nel caso precedente.
Assemblaggio delle strutture a sandwich:
Quando si debbono unire elementi con viti passanti o mordenti, bisogna inserire dei
rinforzi localizzati, altrimenti l’anima potrebbe schiacciarsi per la pressione concentrata
nel serraggio del bullone, o non non offrire una buona presa alle viti mordenti.
L’inserimento del rinforzo può essere eseguito in vari modi: asportare una piccola parte
dell’espanso nella fase di collocazione, in modo da creare un alloggiamento della forma
desiderata, nel punto in cui dovrà passare la vite, e inserirvi un tassello in materiale
compatto, come legno o compensato, dello stesso spessore dell’anima. Si può anche
riempire l’alloggiamento con un impasto di resina e microsfere.
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