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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 dinamica di processo varianti di processo preforme resine permeabilità e misura stampi macchine per iniezione

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Presentation Transcript
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R.T.M.

Resin Transfer Moulding

Ing. Mauro Maggioni

mauromaggioni@lamiflex.it

Novembre 2011

Cell. 333 5066564

Tel. 035 700051

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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
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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

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varianti di processo

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

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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
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RTM

il processo RTM ha una minore dipendenza dalla manualità degli operatori e non necessita di aree (cleanroom) 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
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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

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Applicazioni Industriali

NAUTICA

INDUSTRIALE

AUTOMOTIVE

WIND ENERGY

AEROSPACE

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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
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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.

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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

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Preforme – rinforzi alta deformabilità

Strutture complesse altamente deformabili che riempiono gli angoli dello stampo

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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

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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

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Preforme – binder termoplastici

Costi relativamente bassi

Limiti sulle forme realizzabili (deformabilità dei rinforzi)

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Preforme – cucite su supporti

Costi relativamente alti

Ottimizzazione delle geometrie

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Preforme – per avvolgimento

Preforma e pezzo stampato in RTM

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Preforme – per cuciture di forme complesse

Costi relativamente alti

Ottimizzazione delle geometrie e precisa disposizione dei rinforzi

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Preforme – per cuciture di forme complesse

L’utilizzo dei multiassiali permette ottima manipolabilità dei rinforzi per costruzionee di parti complesse

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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

45°

90°

135°

180°

Buona isotropia di base dei multiassiali con possibilità di incremento rigidità meccaniche con inserimento di strati di UD

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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)

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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

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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.

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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.

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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.

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Permeabilità – misura

Esempio di misura permeabilità per infusione

Misura dell’avanzamento del fronte della resina in funzione del tempo

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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

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Permeabilità – misura

Esempio di misura permeabilità per stampo chiuso.

Stampo a 4 impronte da 1 a 4mm (200x1000mm)

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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

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Permeabilità – misura

Esempio di misura permeabilità per stampo chiuso

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Permeabilità – analisi microscopica

Esistono modelli matematici di correlazione tra la struttura della preforma e la permeabilità.

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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

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Resine

Viscosità dipendente dalla temperatura

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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.

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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.

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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

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STAMPI – network di iniezione

Sezione del profilo di chiusura

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STAMPI – network di iniezione

Canale di distribuzione resina

Pozzetto “buffer”

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STAMPI - materiali

Stampi e materiali costi e prestazioni in funzione delle produzioni

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STAMPI – materiali stampi in composito

Stampo RTM Light chiusura con vuoto

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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

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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

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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

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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

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STAMPI – materiali stampi ibridi

Stampi in composito montati su strutture a traliccio in ferro

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STAMPI –movimentazione/controllo T

Movimentazione automatica

Controllo di chiusura con valvole pneumatiche

Sistema di riscaldamento stampi:

- acqua (40-60°C)

- olio diatermico

- resistenze elettriche

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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

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MACCHINE di INIEZIONE

Serbatoio catalizzatore

Controllo della pressione di iniezione

Controllo della velocità di pompaggio

Mescelatore statico

Serbatoio resina

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Controllo di Processo

Testa di iniezione a dosaggio controllabile

Centralina pneumatica

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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

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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

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Controllo di Processo

Sistema di chiusura stampo pneumatico

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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

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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
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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.
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Simulazione di Processo

  • Misura sperimentale e taratura della simulazione (sistema utilizzato nella nautica)

Misura della permeabilità del pacchetto infusivo

Taratura della simulazione

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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

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Case History

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

  • - Tavole medicali portapaziente
  • - Poggiatesta per analisi TAC
  • - Ruote dentate dinamiche per Telai tessili
  • - Accessori per macchine trefolatrici
  • Selle settore ciclistico