L’avvolgimento filamentare trasforma rinforzi continui in strutture composite cave, depositando le fibre lungo traiettorie controllate su un utensile rotante. La terminologia collega tre scelte: materiale depositato, posizione di deposizione e verifica del laminato finito. Tubi, serbatoi, pali e recipienti in pressione condividono molti termini, pur avendo vincoli produttivi diversi.

1. Dalla bobina di fibra al mandrino

Mandrino — Utensile di formatura che sostiene la deposizione e definisce la geometria interna. Può essere estraibile, collassabile o a perdere.

Liner — Barriera interna che può rimanere nel prodotto. Non è automaticamente uno strato strutturale portante.

Cantra, tensionatore e guida di deposizione — La cantra sostiene le bobine, il tensionatore regola la forza di trazione e la guida accompagna la banda verso la superficie. [1]

Nell’avvolgimento a umido, il rinforzo asciutto riceve resina liquida durante la produzione. Il towpreg viene fornito con la resina già incorporata. L’avvolgimento termoplastico richiede una strategia adeguata di riscaldamento e consolidamento, anziché una reazione di reticolazione termoindurente. La scelta del processo modifica movimentazione, conservazione e requisiti termici. [2, 3]

2. Terminologia di rinforzi e resine

Filamento, filo, roving e tow — Un filamento è una singola fibra. Fasci più grandi vengono chiamati fili, rovings o tows secondo il rinforzo e la terminologia del fornitore.

Tex e numero K — Il tex esprime la massa lineare in grammi per 1.000 m. Sigle di tow di carbonio come 12K indicano circa 12.000 filamenti, senza specificare la larghezza del fascio.

Larghezza della banda — Larghezza del rinforzo depositato, misurata perpendicolarmente alla sua direzione. Più fasci possono formare una banda. [1]

Matrice — Fase continua di resina che circonda il rinforzo; la finestra di lavorazione e le proprietà dopo la cura influenzano produzione e comportamento in servizio.

Impregnazione e bagnatura — L’impregnazione introduce resina nel rinforzo. La bagnatura descrive l’efficacia con cui la resina bagna le fibre. Una superficie lucida non dimostra da sola un’impregnazione interna completa.

Vita utile della miscela e tempo di gel — La prima è l’intervallo di lavorazione utilizzabile nelle condizioni dichiarate. Il secondo segna la formazione di una rete di gel. Nessuno dei due indica il raggiungimento delle proprietà finali del laminato.

Ciclo di cura e post-cura — Il programma termico prescritto sviluppa la matrice termoindurente. Una successiva post-cura può essere richiesta per ottenere le proprietà previste. Seguire il programma validato del fornitore di resina.

3. Angolo di avvolgimento: dichiarare sempre il riferimento

Qui 0° indica la direzione assiale e 90° quella circonferenziale. I segni +α e −α distinguono pendenze opposte nel sistema di coordinate dichiarato. Da soli non comandano la rotazione oraria o antioraria del mandrino. Disegno, simulazione e programma CNC devono utilizzare riferimenti compatibili. [1]

4. Avvolgimento circonferenziale, elicoidale e polare

L’avvolgimento circonferenziale dispone le fibre quasi lungo la circonferenza per sostenere i carichi in tale direzione. Un piccolo avanzamento assiale distribuisce spire adiacenti lungo il cilindro. L’elicoidale combina rotazione e movimento longitudinale, generando traiettorie inclinate; corse opposte possono produrre direzioni incrociate. Il polare porta il rinforzo sulle estremità e attorno alle aperture polari. La fattibilità dipende dalla geometria e dalla configurazione della macchina. [2]

Calotta e boss — La calotta è la regione curva terminale di un recipiente. Il boss è il raccordo terminale associato a un’apertura e alla struttura avvolta circostante.

Traiettoria geodetica — Percorso sulla superficie localmente rettilineo nella geometria della superficie stessa. Su una superficie curva generica non deve necessariamente apparire rettilineo in vista laterale.

Traiettoria non geodetica — Percorso che si discosta da una geodetica e può richiedere un vincolo laterale dovuto ad attrito o ad altri meccanismi del processo. Un percorso disegnato non garantisce che la fibra rimanga in posizione.

5. Movimento, passo e velocità

Per un cilindro ideale di diametro costante D, senza slittamento e con deposizione a regime, la geometria superficiale fornisce:

tan(α) = πDn / vₐ e p = vₐ / n

n è la velocità del mandrino in giri/min, vₐ la velocità assiale di deposizione in mm/min, D il diametro in mm e p l’avanzamento assiale per giro in mm/giro. Quindi tan(α) = πD/p. Queste relazioni descrivono il percorso sul cilindro; non modellano movimenti sulle calotte o inversioni.

Esempio: D = 200 mm, n = 10 giri/min e α = 60° danno vₐ ≈ 3.628 mm/min e p ≈ 362,8 mm/giro. Se il diametro cresce mantenendo fisso il rapporto delle velocità, l’angolo cambia. Il controllo può quindi aggiornare il movimento durante l’aumento dello spessore del laminato.

6. Passate, circuiti e chiusura del disegno

Una rivoluzione è un giro del mandrino. Una passata indica solitamente una corsa in un senso. Un circuito comprende normalmente andata e ritorno. “Ciclo” è meno uniforme: il costruttore può usarlo per un circuito, una ripetizione o un’altra operazione programmata. Riportare la definizione insieme al conteggio, senza presumere che un ciclo equivalga a un giro.

La chiusura avviene quando la sequenza di traiettorie ritorna alla propria relazione di ripetizione. Chiusura e copertura completa sono verifiche diverse: uno schema ripetitivo può ancora presentare vuoti. L’indicizzazione è lo spostamento circonferenziale controllato tra deposizioni successive. L’inversione è la zona terminale dove cambia il senso di avanzamento; angolo, velocità e accumulo locali possono differire da quelli del cilindro centrale.

Copertura — Estensione della superficie prevista ricoperta dalle bande depositate. Verificarla sulla lunghezza utile e nelle zone terminali.

Lamina o strato — Raggruppamento strutturale o produttivo del rinforzo. Specificare se indica un’orientazione, una coppia ±α o una sequenza di copertura completa.

Laminato e sequenza di impilamento — Intera costruzione stratificata e ordine delle orientazioni. Per esempio, [ +55 / −55 / 90 ] elenca tre orientazioni; spessori e ripetizioni devono ancora essere definiti.

Bilanciato e simmetrico — Un laminato bilanciato abbina contributi equivalenti +α e −α. Un laminato simmetrico rispecchia la propria costruzione rispetto al piano medio. Una proprietà non implica l’altra.

7. Lunghezza utile e sovrametallo di rifilatura

La lunghezza utile rimane nel componente finito. Il margine di rifilatura è il materiale aggiuntivo eliminato dopo la produzione. Entrambi sono distinti dalla corsa totale del carro, che può includere ingresso, inversione e movimenti di disimpegno.

8. Termini di qualità importanti in officina

Frazione volumetrica di fibre, Vᶠ — Volume delle fibre diviso per il volume totale del composito. Differisce dalla frazione massica; la conversione richiede le densità dei costituenti e un trattamento coerente dei vuoti.

Contenuto di vuoti — Frazione del volume interno vuoto. Richiede un metodo di misura adeguato; la sola ispezione visiva superficiale non la determina.

Zona ricca di resina e zona asciutta — La prima contiene relativamente poco rinforzo. La seconda presenta impregnazione insufficiente. L’accettabilità dipende dai requisiti del prodotto.

Ondulazione e slittamento delle fibre — L’ondulazione è la deviazione dall’allineamento previsto. Lo slittamento è lo spostamento del rinforzo dalla posizione di deposizione prevista.

Delaminazione — Separazione tra strati del laminato. È diversa da un graffio superficiale o da uno spazio tra bande adiacenti.

Tensione e compattazione — La tensione è la forza di trazione applicata al rinforzo. La compattazione descrive il consolidamento del materiale depositato. La tensione lo influenza, ma la relazione dipende anche da curvatura, angolo e comportamento del materiale. [2]

9. Scrivere una specifica di avvolgimento senza ambiguità

Una ricetta utilizzabile identifica geometria, materiali, riferimento angolare, larghezza depositata, base di misura della tensione, limiti di velocità, sequenza, definizioni dei conteggi, trattamento delle estremità, programma di cura e criteri di controllo. I nomi degli assi X, Y, Z e A dipendono dalla macchina: definirne le funzioni fisiche senza attribuire alle lettere un significato universale.

Esempio: “Avvolgere la sezione cilindrica a ±60° rispetto all’asse del mandrino. Un circuito corrisponde a una corsa di andata e una di ritorno. Applicare il numero di circuiti previsto e verificare la copertura sulla lunghezza utile. Registrare larghezza depositata, tensione per fascio e diametro effettivo. Utilizzare le ricette approvate di inversione e cura.” Aggiungere valori e limiti di accettazione specifici del componente.

Riferimenti e approfondimenti

[1] Cadfil. Filament Winding Glossary. https://www.cadfil.com/help/html/glossary.htm

[2] University of Plymouth, MATS347. Filament winding and pultrusion. https://ecm-academics.plymouth.ac.uk/jsummerscales/MATS347/MATS347C9%20FWpult.htm

[3] Polar Technology. Filament Winding. https://www.polartechnology.co.uk/capabilities/filament-winding/

Tutte le figure sono schemi esplicativi originali. L’esempio numerico ha finalità illustrative.