R.T.M. R.T.M. Resin Transfer MouldingResin Transfer Moulding

Ing. Mauro MaggioniIng. Mauro Maggionimauromaggioni@lamiflex.it mauromaggioni@lamiflex.it Novembre 2011Novembre 2011

Cell. Cell. 333 5066564333 5066564Tel. Tel. 035 700051 035 700051

R.T.M. R.T.M. Resin Transfer MouldingResin Transfer Moulding

- dinamica di processodinamica di processo

- varianti di processovarianti di processo

- preformepreforme

- resineresine

- permeabilità e misurapermeabilità e misura

- stampistampi

- macchine per iniezionemacchine per iniezione

- controllo di processocontrollo di processo

- simulazioni FEMsimulazioni FEM

dinamica di processodinamica 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 dell’iniezione, 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 all’interno dello stampo.Può variare da 1 a 10-15 bar

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

Settori utilizzo tecnologia Settori utilizzo tecnologia RTM-InfusionRTM-Infusion

NAUTICA - infusione parti 10 – 20metri (scafi/coperte)- RTM parti secondarie e scafi di dimensioni inferiori

AUTOMOTIVE- carrozzerie auto / camion / autobus- sedili

RTMRTMil 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- N° dei pezzi da stampare- Dimensioni del particolare- Dimensioni del particolare-Tolleranze massime ammissibili Tolleranze massime ammissibili

(in RTM è sempre lo stampo a definire la geometria)

- Budget a disposizioneBudget a disposizione- ROIROI

RTM vs AUTOCLAVERTM vs AUTOCLAVEVANTAGGI:Clean room non necessaria (resina iniettata in stampo)Automazione di processoNo pre-preg (eliminato costo impregnazione)Minore manualitàProduttività più elevataMinore impatto operatore-resina

SVANTAGGI:Stampi più complessi e costosiElevata progettazione di processoPoca letteratura tecnica

Applicazioni Applicazioni IndustrialiIndustriali

NAUTICANAUTICA

AUTOMOTIVEAUTOMOTIVE

WIND ENERGYWIND ENERGY AEROSPACEAEROSPACE

INDUSTRIALEINDUSTRIALE

PREFORMAPREFORMAA livello geometrico uno dei limiti più importanti, e che richiede uno sviluppo particolare, è la costruzione della preformapreforma. 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 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: PREFORME: Laminazione diretta su stampo 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 drappabilitàdrappabilità dei materiali di rinforzo deve essere proporzionata alla complessità geometrica del pezzo da stampare.

PREFORME: PREFORME: deformabilità dei rinforzideformabilità dei rinforzi

Preforme – Preforme – rinforzi ad alta rinforzi ad alta deformabilitàdeformabilitàL’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 Preforme – rinforzi alta deformabilitàdeformabilità

Strutture complesse altamente deformabili che riempiono gli angoli dello stampo

Preforme – Preforme – rinforzi ad alta rinforzi ad alta deformabilitàdeformabilità

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 Preforme – binder termoplasticitermoplastici 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 Preforme – binder termoplasticitermoplastici

Costi relativamente bassi

Limiti sulle forme realizzabili (deformabilità dei rinforzi)

Preforme – cucite su supportiPreforme – cucite su supporti

Costi relativamente alti

Ottimizzazione delle geometrie

Preforme – cucite su supportiPreforme – cucite su supporti

Preforme – per avvolgimentoPreforme – per avvolgimento

Preforme – per avvolgimentoPreforme – per avvolgimento

Preforma e pezzo stampato in RTM

Preforme – per cuciture di forme Preforme – per cuciture di forme complessecomplesse Costi relativamente alti

Ottimizzazione delle geometrie e precisa disposizione dei rinforzi

Preforme – per cuciture di forme Preforme – per cuciture di forme complessecomplesse

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

perché i multiassialiperché i multiassiali

GPa

0° 90°45° 135° 180°

10

70

Laminato MULTIASSIALE

Struttura tessuta bilanciata

Alluminio 2024 alloyAggiungendo 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

Permeabilità delle preforme Permeabilità delle preforme Legge di DarcyLegge di DarcyK = 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 Permeabilità delle preforme Legge di DarcyLegge 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 Permeabilità delle preforme Legge di DarcyLegge 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 delle preforme Permeabilità delle preforme Legge di DarcyLegge di Darcy

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 – misuraPermeabilità – misura

Permeabilità – misuraPermeabilità – misura

In condizioni di avanzamento monodirezionale l’Equazione di Continuità e l’equazione di Darcy forniscono la seguente soluzione:

Tempo di riempimento

Fronte della resina in funzione del tempo

Dall’equazione 2 è possibile ricavare il valore di permeabilità del tessuto.

1

2

Esempio di misura permeabilità per infusione

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

Permeabilità – misuraPermeabilità – misura

y = 1623,xR² = 0,997

y = 10300xR² = 0,993 y = 7316,x

R² = 0,993

y = 28821xR² = 0,982

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

100% UD

config (1)config (2)

100% 447

distanza percorsa2 (m2) L2

Tem

po -

seco

ndi

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 – misuraPermeabilità – misura

Permeabilità – misuraPermeabilità – misuraEsempio di misura permeabilità per stampo chiuso.

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

Permeabilità – misuraPermeabilità – misuraLa 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 – misuraPermeabilità – misuraEsempio di misura permeabilità per stampo chiuso

Permeabilità – analisi microscopicaPermeabilità – analisi microscopica

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

ResineResine

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 VinilesteriMedio costo – ottima resistenza all’osmosi – medie caratteristiche meccaniche - elevato ritiro volumetrico

Resine epossidicheCosti elevati – ottime proprietà meccaniche – basso ritiro volumetrico

y = 64077x-1,37

0

200

400

600

800

1000

1200

10 15 20 25 30 35 40 45

Temp (°C)

Visc

osità

(cP)

ResineResineViscosità dipendente dalla temperatura

Resine - RTM6 HexcelResine - RTM6 Hexcel

Stampi per RTMStampi 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 RTMStampi per RTMLe 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 - geometrieSTAMPI - geometrie

regole per costruire gli stampi

Evitare sempre spigoli problemi di accumulo resina

Preferire raggi di curvaturarinforzi si adattano meglio

Prevedere angoli di sformoestrazione

STAMPI – network di iniezioneSTAMPI – network di iniezioneSezione del profilo di chiusura

STAMPI – network di iniezioneSTAMPI – network di iniezione

Canale di distribuzione resina Pozzetto “buffer”

STAMPI – network di iniezioneSTAMPI – network di iniezione

STAMPI - materialiSTAMPI - materiali

Stampi e materiali costi e prestazioni in funzione delle produzioni

STAMPI – materiali STAMPI – materiali stampi in compositostampi in composito

Stampo RTM Light chiusura con vuoto

STAMPI – materiali STAMPI – materiali stampi in compositostampi in composito

Stampi low cost per bassa temperatura fino a 80°C

VANTAGGIVelocità costruttivaBasso costoFacile riparazioneBuona durabilità produttiva (molto utilizzato in automotive/nautica)Dimensioni elevate con pesi relativamente bassi

SVANTAGGITemperature di utilizzoDilatazioni termiche

STAMPI – materiali STAMPI – materiali stampi in compositostampi in composito

Stampo RTM Light

STAMPI – materiali STAMPI – materiali stampi fresati da tavole stampi fresati da tavole epossidiche o epossidiche o

poliuretanichepoliuretaniche

Sviluppo LAMIFLEX SpA

Velocità di lavorazioneBuona stabilità meccanicaTemperature di utilizzo fino a 100°C

STAMPI – materiali STAMPI – materiali stampi elettrodepostistampi elettrodeposti

Strutture in composito epossidico con rivestimento metallico

Ottima omogeneità di temperaturaOttima superficieCosti relativamente contenutiStampi di dimensioni elevati con pesi contenutiTemperature di utilizzo 100-150°C in funzione del tipo di resina utilizzata

STAMPI – materiali STAMPI – materiali stampi in Acciaio o Invarstampi in Acciaio o Invar

STAMPI – materiali STAMPI – materiali stampi in Acciaio o Invarstampi in Acciaio o Invar

PesantiNecessaria automazione per spostamentoCostosi

Ottima durabilitàOttima finitura superficialeResistono a pressioni di iniezione elevata (20bar)Ottime precisioni dimensionaliIn Invar con bassissime dilatazioni termiche

STAMPI – materiali STAMPI – materiali stampi ibridistampi ibridi

Stampi in composito montati su strutture a traliccio in ferro

STAMPI – STAMPI – movimentazione/controllo Tmovimentazione/controllo TMovimentazione automatica

Controllo di chiusura con valvole pneumatiche

Sistema di riscaldamento stampi:

- acqua (40-60°C)- olio diatermico - resistenze elettriche

MACCHINE di INIEZIONEMACCHINE 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

MACCHINE di INIEZIONEMACCHINE di INIEZIONE

Controllo della pressione di iniezione

Controllo della velocità di pompaggio

Serbatoio resina

Serbatoio catalizzatore

Mescelatore statico

Controllo di ProcessoControllo di Processo

Centralina pneumatica

Testa di iniezione a dosaggio controllabile

Controllo di ProcessoControllo di ProcessoValvola pneumatica di apertura/chiusura iniezione e gestione pulizia testa dopo iniezione.

IN solvente

IN resinaOUT renina in stampo

Aria compressa

Innesto in stampo “a baionetta”

Sede innesto all’interno dello stampo

Controllo di ProcessoControllo 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 ProcessoControllo di Processo

Sistema di chiusura stampo pneumatico

Controllo di ProcessoControllo 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 ProcessoSimulazione di ProcessoL’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 ProcessoSimulazione di ProcessoLa 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 ProcessoSimulazione di ProcessoMisura sperimentale e taratura della simulazione (sistema utilizzato nella nautica)

Misura della permeabilità del pacchetto infusivo

Taratura della simulazione

Simulazione di ProcessoSimulazione di ProcessoLo 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 HistoryCase History-Frame Trave “H” rotore coda AW139Frame Trave “H” rotore coda AW139

Lavoro svolto da L.T.S. – POLIMILavoro svolto da L.T.S. – POLIMI

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