R.T.M.
Resin Transfer Moulding
Ing. Mauro Maggioni
[email protected]
Novembre 2011
Cell.
Tel.
333 5066564
035 700051
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
dinamica di processo
Stampo aperto con pre-forma
asciutta nello stampo
Iniezione resina in stampo
attraverso pompa e
miscelatore statico
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:
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
Parametri di
processo
Geometria
Viscosità della Resina
Permeabilità
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
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
2500
100% UD
y = 28821x
R² = 0,982
2000
config (1)
y = 10300x
R² = 0,993
config (2)
y = 7316,x
R² = 0,993
100% 447
y = 1623,x
R² = 0,997
Tempo - secondi
1500
1000
500
distanza percorsa2 (m2) L2
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
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
1200
Viscosità(cP)
1000
800
600
y = 64077x -1,37
400
200
Temp (°C)
0
10
15
20
25
30
35
40
45
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.
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.
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
Stampo RTM Light
chiusura con vuoto
stampi in composito
STAMPI – materiali
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 in composito
STAMPI – materiali
stampi in composito
Stampo RTM Light
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 resina
da fusto
Pistone di
aspirazione
catalizzatore da
fusto
MACCHINE di INIEZIONE
Serbatoio
catalizzatore
Controllo della
pressione di
iniezione
Controllo della
velocità di
pompaggio
Mescelatore
statico
Serbatoio
resina
Controllo di Processo
Centralina
pneumatica
Testa di iniezione
a dosaggio
controllabile
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
Misura della permeabilità del pacchetto
infusivo
Taratura della simulazione
(sistema utilizzato nella nautica)
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