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

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

dinamica di processo Iniezione resina in stampo attraverso pompa e miscelatore statico Stampo aperto con pre-forma asciutta nello stampo La pressione di iniezione dipende dalla struttura dello stampo e dai materiali di anima posizionati all’interno dello stampo. Può variare da 1 a 10-15 bar Processo automatico con controllo dell’iniezione, della quantità di resina, dei tempi ciclo e della ripetibilità del processo Curing resina, apertura stampo, estrazione pezzo

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

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

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 ROI

RTM vs AUTOCLAVE VANTAGGI: SVANTAGGI: 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

Applicazioni Industriali NAUTICA INDUSTRIALE AUTOMOTIVE WIND ENERGY AEROSPACE

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’: mantenimento della posizione delle fibre durante il posizionamento in stampo TRASPORTABILITA’: deve poter essere stoccata e rendersi pronta all’uso durante la fase di preparazione dell’iniezione. Queste problematiche sono state risolte con differenti metodologie: laminazione diretta su stampo costruzione esterna della preforma

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. La drappabilità dei materiali di rinforzo deve essere proporzionata alla complessità geometrica del pezzo da stampare.

PREFORME: deformabilità dei rinforzi

Preforme – rinforzi ad alta deformabilità L’armatura 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

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

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 l’iniezione; fronte di avanzamento non omogeneo

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”; l’utilizzo 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

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

Preforme – cucite su supporti Costi relativamente alti Ottimizzazione delle geometrie

Preforme – cucite su supporti

Preforme – per avvolgimento

Preforme – per avvolgimento Preforma e pezzo stampato in RTM

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

Preforme – per cuciture di forme complesse L’utilizzo dei multiassiali permette ottima manipolabilità dei rinforzi per costruzionee di parti complesse

perché i multiassiali 70 Alluminio 2024 alloy Aggiungendo layers di UD si aumenta la rigidità nelle direzioni preferenziali GPa Laminato MULTIASSIALE Struttura tessuta bilanciata 10 0° 45° 90° 135° 180° Buona isotropia di base dei multiassiali con possibilità di incremento rigidità meccaniche con inserimento di strati di UD

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)

Permeabilità delle preforme Legge di Darcy

Permeabilità delle preforme Legge di Darcy La combinazione dell’Equazione 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 E’ un tensore simmetrico che rappresenta la “difficolta” che la resina trova nell’avanzamento 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 – misura 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 dell’avanzamento del fronte monodirezionale della resina.

Permeabilità – misura In condizioni di avanzamento monodirezionale l’Equazione di Continuità e l’equazione di Darcy forniscono la seguente soluzione: 1 Tempo di riempimento 2 Fronte della resina in funzione del tempo Dall’equazione 2 è possibile ricavare il valore di permeabilità del tessuto.

Permeabilità – misura Esempio di misura permeabilità per infusione Misura dell’avanzamento del fronte della resina in funzione del tempo

Permeabilità – misura Coefficiente angolare - m = Δ t/ Δ xf 2 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 xf 2 K = η*Φ/(2ΔP) misura della permeabilità

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

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 l’avanzamento 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

Permeabilità – misura Esempio di misura permeabilità per stampo chiuso

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

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 all’osmosi – medie caratteristiche meccaniche - elevato ritiro volumetrico Resine epossidiche Costi elevati – ottime proprietà meccaniche – basso ritiro volumetrico

Resine Viscosità dipendente dalla temperatura

Resine - RTM6 Hexcel

Stampi per RTM Lo GEOMETRIA dello stampo, sia sotto l’aspetto di network di iniezione, sia sotto l’aspetto 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.

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. Stampi per RTM

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

STAMPI – network di iniezione Sezione del profilo di chiusura

STAMPI – network di iniezione Canale di distribuzione resina Pozzetto “buffer”

STAMPI – network di iniezione

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

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

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

STAMPI – materiali stampi in composito Stampo RTM Light

STAMPI – materiali stampi fresati da tavole 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

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 100-150°C in funzione del tipo di resina utilizzata

STAMPI – materiali stampi in Acciaio o Invar

STAMPI – materiali stampi in Acciaio o Invar 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

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

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

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

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

Controllo di Processo Testa di iniezione a dosaggio controllabile Centralina pneumatica

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

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

Controllo di Processo Sistema di chiusura stampo pneumatico

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

Simulazione di Processo L’utilizzo combinato dell’equazione 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 all’interno dello stampo

Simulazione di Processo La conoscenza della permeabilità del “pacchetto” da iniettare viene spesso misurata su provini prima dell’iniezione. 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.

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

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

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

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