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R.T.M. Resin Transfer Moulding Ing. Mauro Maggioni Novembre 2011 Cell. 333 5066564 Tel. 035 700051.

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1 R.T.M. Resin Transfer Moulding Ing. Mauro Maggioni Novembre 2011 Cell Tel

2 R.T.M. Resin Transfer Moulding - dinamica di processo - varianti di processo - preforme - resine - permeabilità e misura - stampi - macchine per iniezione - controllo di processo - simulazioni FEM

3 dinamica di processo Stampo aperto con pre-forma asciutta nello stampo Iniezione resina in stampo attraverso pompa e miscelatore statico Curing resina, apertura stampo, estrazione pezzo Processo automatico con controllo delliniezione, della quantità di resina, dei tempi ciclo e della ripetibilità del processo La pressione di iniezione dipende dalla struttura dello stampo e dai materiali di anima posizionati allinterno dello stampo. Può variare da 1 a bar

4 varianti di processo Il concetto di trasferimento di resina vale anche per linfusione; la differenza è la pressione di iniezione, positiva in RTM.

5 Settori utilizzo tecnologia RTM-Infusion NAUTICA - infusione parti 10 – 20metri (scafi/coperte) - RTM parti secondarie e scafi di dimensioni inferiori AUTOMOTIVE - carrozzerie auto / camion / autobus - sedili

6 RTM il processo RTM ha una minore dipendenza dalla manualità degli operatori e non necessita di aree (clean room) dedicate poiché la combinazione tra fibra e resina avviene in stampo chiuso. Rispetto alle produzioni in autoclave, la tecnologia RTM si presta ad una industrializzazione più spinta con livelli di automazione medio-elevati e soprattutto una minore criticità del controllo di processo. Questo permette un aumento della capacità produttiva a parità di qualità e una riduzione dei costi. La scelta tra una tecnologia RTM dipende da: - N° dei pezzi da stampare - Dimensioni del particolare -Tolleranze massime ammissibili (in RTM è sempre lo stampo a definire la geometria) Budget a disposizione - Budget a disposizione - ROI

7 RTM vs AUTOCLAVE VANTAGGI: Clean room non necessaria (resina iniettata in stampo) Automazione di processo No pre-preg (eliminato costo impregnazione) Minore manualità Produttività più elevata Minore impatto operatore-resina SVANTAGGI: Stampi più complessi e costosi Elevata progettazione di processo Poca letteratura tecnica

8 Applicazioni Industriali NAUTICA AUTOMOTIVE WIND ENERGY AEROSPACE INDUSTRIALE

9 PREFORMA preforma A livello geometrico uno dei limiti più importanti, e che richiede uno sviluppo particolare, è la costruzione della preforma. Una STRUTTURA 3D costituita da materiale di rinforzo asciutto che deve rispettare le seguenti caratteristiche: MANIPOLABILITA MANIPOLABILITA: mantenimento della posizione delle fibre durante il posizionamento in stampo TRASPORTABILITA TRASPORTABILITA: deve poter essere stoccata e rendersi pronta alluso durante la fase di preparazione delliniezione. Queste problematiche sono state risolte con differenti metodologie: - laminazione diretta su stampo - costruzione esterna della preforma

10 PREFORME: Laminazione diretta su stampo Sistema di derivazione lay-up autoclave dove si posizionano i vari strati di rinforzo direttamente sullo stampo. Si eliminano le problematiche di trasportabilità della preforma stessa, ma servono materiali particolarmente drappabili. drappabilità La drappabilità dei materiali di rinforzo deve essere proporzionata alla complessità geometrica del pezzo da stampare.

11 PREFORME: deformabilità dei rinforzi

12 Preforme – rinforzi ad alta deformabilità Larmatura dei tessuti è un parametro che influenza la deformabilità; strutture twill – satin hanno una elevata influenza sulla capacità di deformazione. Nel campo dei materiali compositi grande consumo sono stati sviluppati complessi di vetro ad altissima deformabilità: - Chomarat – famiglia dei Rovicore - OCV – Uniconform e Multimat Si tratta di strutture al alto spessore (4/6 mm) costruiti con MAT a fili tagliati sulle pelli e anime interne di non tessuti o tricot termoplastici

13 Preforme – rinforzi alta deformabilità Strutture complesse altamente deformabili che riempiono gli angoli dello stampo

14 Preforme – rinforzi ad alta deformabilità Strutture complesse altamente deformabili che riempiono gli angoli dello stampo permettono riempimenti controllati senza fughe preferenziali Creazione di canali preferenziali durante liniezione; fronte di avanzamento non omogeneo

15 Preforme – binder termoplastici Il taglio dei tessuti asciutti può dare problemi di stabilità del tessuto stesso; infatti tagliando le cimosse trama e ordito possono stramare; lutilizzo di binder termoplastici (generalmente in soluzione acquosa) permette di irrigidire i tessuti. Utilizzando una fonte di calore è possibile deformare il tessuto stesso; mantenendolo stabile durante le manipolazioni. Esistono suluzioni per la realizzazione di preforma ottenute per deposizione di fibra random 2D e binder a spruzzo su stampo

16 Preforme – binder termoplastici Costi relativamente bassi Limiti sulle forme realizzabili (deformabilità dei rinforzi)

17 Preforme – cucite su supporti Costi relativamente alti Ottimizzazione delle geometrie

18 Preforme – cucite su supporti

19 Preforme – per avvolgimento

20 Preforma e pezzo stampato in RTM

21 Preforme – per cuciture di forme complesse Costi relativamente alti Ottimizzazione delle geometrie e precisa disposizione dei rinforzi

22 Preforme – per cuciture di forme complesse Lutilizzo dei multiassiali permette ottima manipolabilità dei rinforzi per costruzionee di parti complesse

23 perché i multiassiali GPa 0°90°45°135°180° Laminato MULTIASSIALE Struttura tessuta bilanciata Alluminio 2024 alloy Aggiungendo layers di UD si aumenta la rigidità nelle direzioni preferenziali Buona isotropia di base dei multiassiali con possibilità di incremento rigidità meccaniche con inserimento di strati di UD

24 Permeabilità delle preforme Legge di Darcy K = permeabilità n = viscosità della resina P = pressione iniezione L = posizione di avanzamento resina V = velocità di avanzamento del flusso di resina Si può notare come la velocità sia influenzata da: PARAMETRI di PROCESSO = Pressioni e geometria PARAMETRI dei MATERIALI = Permeabilità della preforma (K), Viscosità della resina (η)

25 Permeabilità delle preforme Legge di Darcy

26 La combinazione dellEquazione di Continuità con la legge di Darcy da origine ad una equazione alle derivate parziali che permette di studiare il flusso della resina a partire dalle condizioni di: Pressione Geometria Viscosità della Resina Permeabilità Parametri di processo Parametri dei materiali Permeabilità delle preforme Legge di Darcy

27 E un tensore simmetrico che rappresenta la difficolta che la resina trova nellavanzamento nel la preforma nelle 3 direzioni principali Le preforme sono materiali anisotropi quindi la permeabilità sarà differente nelle tre direzioni x,y e z. Kxx Kyy Kzz Permeabilità delle preforme Legge di Darcy

28 La conoscenza della permeabilità della preforma è uno dei parametri la cui misura è complessa e senza uno standard di misura stessa. La tecnica più utilizzata è la misura tramite monitorazione dellavanzamento del fronte monodirezionale della resina. Permeabilità – misura

29 In condizioni di avanzamento monodirezionale lEquazione di Continuità e lequazione di Darcy forniscono la seguente soluzione: Tempo di riempimento Fronte della resina in funzione del tempo Dallequazione 2 è possibile ricavare il valore di permeabilità del tessuto. 1 2

30 Esempio di misura permeabilità per infusione Misura dellavanzamento del fronte della resina in funzione del tempo Permeabilità – misura

31 Si riportano le posizione del Fronte della Resina vs Tempo e si deve osservare un comportamento lineare equazione della retta passante per origine: y=mx Coefficiente angolare - m = Δ t/ Δ x f 2 K = η*Φ/(2ΔP) misura della permeabilità Permeabilità – misura

32 Esempio di misura permeabilità per stampo chiuso. Stampo a 4 impronte da 1 a 4mm (200x1000mm)

33 Permeabilità – misura La differenza di misura sta nel fatto che il sacco si deforma sul tessuto modificanzo la sezione di avanzamento e gli spazi liberi per lavanzamento della resina. La modalità di misura può influenzarne il valore. Attualmente non esistono standard !! Sacco si deforma sulla sezione del tessuto per effetto del vuoto Sezione costante in stampo rigido

34 Permeabilità – misura Esempio di misura permeabilità per stampo chiuso

35 Permeabilità – analisi microscopica Esistono modelli matematici di correlazione tra la struttura della preforma e la permeabilità.

36 Resine La scelta della resina nel campo delle applicazioni RTM deve avere come principale parametro di scelta la bassa viscosità alla temperatura a cui si vuole iniettare. Resine poliesteri Basso costo – produzioni industriali – basse caratteristiche meccaniche - elevato ritiro volumetrico Resine Vinilesteri Medio costo – ottima resistenza allosmosi – medie caratteristiche meccaniche - elevato ritiro volumetrico Resine epossidiche Costi elevati – ottime proprietà meccaniche – basso ritiro volumetrico

37 Resine Viscosità dipendente dalla temperatura

38 Resine - RTM6 Hexcel

39 Stampi per RTM Lo GEOMETRIA dello stampo, sia sotto laspetto di network di iniezione, sia sotto laspetto delle geometrie delle forme, è uno degli aspetti più importanti per il riempimento. Il MATERIALE e le SOLUZIONI COSTRUTTIVE sono parametri che influenzano il costo dello stampo stesso, ma anche le possibili applicazioni.

40 Stampi per RTM Le differenti necessità tecniche, produttive, budget e ciclo vita dei prodotti hanno permesso un elevato sviluppo di concept costruttivi di stampo dal low cost (ma funzionali) ad elevati sistemi automatizzati e di controllo di processo.

41 STAMPI - geometrie regole per costruire gli stampi Evitare sempre spigoli problemi di accumulo resina Preferire raggi di curvatura rinforzi si adattano meglio Prevedere angoli di sformo estrazione

42 STAMPI – network di iniezione Sezione del profilo di chiusura

43 STAMPI – network di iniezione Canale di distribuzione resina Pozzetto buffer

44 STAMPI – network di iniezione

45 STAMPI - materiali Stampi e materiali costi e prestazioni in funzione delle produzioni

46 STAMPI – materiali stampi in composito Stampo RTM Light chiusura con vuoto

47 STAMPI – materiali stampi in composito Stampi low cost per bassa temperatura fino a 80°C VANTAGGI Velocità costruttiva Basso costo Facile riparazione Buona durabilità produttiva (molto utilizzato in automotive/nautica) Dimensioni elevate con pesi relativamente bassi SVANTAGGI Temperature di utilizzo Dilatazioni termiche

48 STAMPI – materiali stampi in composito Stampo RTM Light

49 STAMPI – materiali stampi fresati da tavole epossidiche o poliuretaniche Sviluppo LAMIFLEX SpA Velocità di lavorazione Buona stabilità meccanica Temperature di utilizzo fino a 100°C

50 STAMPI – materiali stampi elettrodeposti Strutture in composito epossidico con rivestimento metallico Ottima omogeneità di temperatura Ottima superficie Costi relativamente contenuti Stampi di dimensioni elevati con pesi contenuti Temperature di utilizzo °C in funzione del tipo di resina utilizzata

51 STAMPI – materiali stampi in Acciaio o Invar

52 Pesanti Necessaria automazione per spostamento Costosi Ottima durabilità Ottima finitura superficiale Resistono a pressioni di iniezione elevata (20bar) Ottime precisioni dimensionali In Invar con bassissime dilatazioni termiche

53 STAMPI – materiali stampi ibridi Stampi in composito montati su strutture a traliccio in ferro

54 STAMPI – movimentazione/controllo T Movimentazione automatica Controllo di chiusura con valvole pneumatiche Sistema di riscaldamento stampi: - acqua (40-60°C) - olio diatermico - resistenze elettriche

55 MACCHINE di INIEZIONE Pistone pneumatico di movimentazione pompa Pistone di aspirazione resina da fusto Pistone di aspirazione catalizzatore da fusto Il cuore della macchina è il sistema di pompaggio controllato della resina

56 MACCHINE di INIEZIONE Controllo della pressione di iniezione Controllo della velocità di pompaggio Serbatoio resina Serbatoio catalizzatore Mescelatore statico

57 Controllo di Processo Centralina pneumatica Testa di iniezione a dosaggio controllabile

58 Controllo di Processo Valvola pneumatica di apertura/chiusura iniezione e gestione pulizia testa dopo iniezione. IN solvente IN resina OUT renina in stampo Aria compressa Innesto in stampo a baionetta Sede innesto allinterno dello stampo

59 Controllo di Processo Sensore di controllo pressione allinterno dello stampo. Interfacciabile con la valvola di iniezione per regolare immissione di resina allinterno dello stampo il controllo della pressione permette di evitare deformazioni dello stampo o del tessuto della preforma

60 Controllo di Processo Sistema di chiusura stampo pneumatico

61 Controllo di Processo È possibile chiudere gli stampi senza luso di presse o clamps, ma utilizzando una area tecnica esterna allarea di stampaggio che possa essere messa sotto vuoto creando leffetto di risucchio-chiusura. Limite sulla pressione di iniezione della forma

62 Simulazione di Processo Lutilizzo combinato dellequazione di continuità, della legge di Darcy e delle simulazioni ad Elementi Finiti permettono di effettuare studi sulle iniezioni RTM/Infusione criticità: conoscenza del parametro di Permeabilità (K) Formazioni di canali preferenziali allinterno dello stampo

63 Simulazione di Processo La conoscenza della permeabilità del pacchetto da iniettare viene spesso misurata su provini prima delliniezione. Misura attendibile per parti piane tipo scafi/coperte – ali dove il tessuto non subisce deformazioni elevate. Misura difficoltosa e poco attendibile quando il rinforzo subisce elevate deformazioni.

64 Simulazione di Processo Misura sperimentale e taratura della simulazione (sistema utilizzato nella nautica) Misura della permeabilità del pacchetto infusivo Taratura della simulazione

65 Simulazione di Processo Lo scopo della simulazione è quello di verificare il corretto avanzamento del flusso della resina, la posizione dei punti di iniezione/aspirazione e la formazione di zone non impregnate Particolari Airbus

66 Case History -Frame Trave H rotore coda AW139 Lavoro svolto da L.T.S. – POLIMI

67 - Tavole medicali portapaziente - Poggiatesta per analisi TAC - Ruote dentate dinamiche per Telai tessili - Accessori per macchine trefolatrici - Selle settore ciclistico Case History produzione Lamiflex


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