Compositi magazine, dicembre 2013

n
Nautica
*Ferretti Group S.p.A. - **MathFem S.r.l - ***Politecnico di Milano,
Dipartimento di Design - ****Politecnico di Milano, Lecco Innovation Hub
>>
di Andrea Crucianelli* - Gianluca Massaccesi** - Andrea Ratti*** - Cristian Ferretti****
Processo infusivo per
uno scafo in bio-composito
Ecco i risultati di un’attività
sperimentale che ha indagato la
possibilità di ottimizzare il processo
di infusione, attraverso un confronto
di soluzioni di dettaglio alternative,
e l’introduzione di laminati
in bio-composito.
onostante offra un potenziale incremento delle qualità dei laminati, richieda un minor impiego di
manodopera e riduca l’esposizione degli
operatori ad agenti chimici, la tecnica
dell’infusione non è molto diffusa nel
settore nautico. La ragione è legata alla
difficoltà che si riscontra nell’affinamento dei dettagli esecutivi che richiedono
una sperimentazione preliminare sui
pezzi da realizzare e sulle attrezzature di
cantiere da utilizzare. Per supportare tale fase attualmente sono disponibili diversi strumenti di simulazione che
permettono di acquisire in via preliminare la familiarità col processo, una predizione
del
risultato
atteso
e
un’ottimizzazione del network di infusione.
L’utilizzo di tali strumenti, incrociati con
dati provenienti da test di caratterizzazione meccanica dei piani di laminazione, consente di ottenere una previsione
del risultato estremamente accurata,
con conseguente abbattimento di costi
e tempi, favorendo il cantiere nella
N
transizione a tecniche di lavorazione in
stampo chiuso.
Altro possibile impiego di tali tecniche di
simulazione è valutare le implicazioni
derivanti dall’introduzione di nuovi materiali. È il caso, ad esempio, della possibilità di convertire piani di laminazione
in uso con alternative che prevedono
l’impiego di materiali di rinforzo ottenuti
con fibre naturali e/o leganti derivanti
da risorse rinnovabili.
Di seguito vengono ripor tati i risultati
preliminari di un’attività sperimentale in
cui, per fasi successive, viene indagata
la possibilità di ottimizzare il processo di
infusione, confrontando soluzioni di dettaglio alternative e approfondendo, con
il supporto di indagini di laboratorio, le
possibilità di introdurre laminati in biocomposito.
TEORIA
La legge di Darcy, che ben descrive il
flusso di fluido attraverso un mezzo poroso, può essere utilizzata per descrivere il processo di infusione sottovuoto,
dove il fluido è la resina e il mezzo poroso il rinforzo. Per gli altri parametri, come la cinetica di reazione, segue il
modello Kamal-Sourour [1][2].
Nel trattare il fenomeno di infusione non
si può trascurare l’effetto della gravità;
per ogni metro di altezza si ha una perdita di circa 100 mbar di vuoto necessari a far salire la resina sulle zone ad alta
pendenza. La formulazione della legge
con il termine di gravità è:
dove il termine Q/A rappresenta la velocità superficiale, K è il tensore di permeabilità, η è la viscosità della resina, p è la
pressione, ρ è la densità della resina e g
il vettore di gravità. L’unica incognita risulta la permeabilità K, determinabile
sperimentalmente e legata alla porosità
del rinforzo.
Si può notare come la formulazione della
legge di Darcy sia influenzata da parametri di processo, pressione e geometria, e
da parametri dei materiali, viscosità della
Compositi
31
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Nautica
resina e permeabilità.
In condizioni di flusso monodirezionale
l’equazione di continuità e l’equazione
di Darcy forniscono la seguente soluzione:
dove tfill è il tempo di impregnazione del
rinforzo, Φ è la porosità e C una costante dipendente dalla strategia di iniezione
adottata.
STRATEGIE DI INIEZIONE
La scelta di un’adeguata strategia di
iniezione è di primaria impor tanza per
far sì che il laminato risulti completamente ed adeguatamente impregnato,
senza la presenza di vuoti o di aria prima del gel-time della resina.
Qualsiasi strategia si adotti può essere
ricondotta ad una o alla combinazione di
tre tipologie base: iniezione da lato, iniezione periferica e iniezione puntuale.
Schematicamente:
iniezione
dal lato: C = 1/2
Campione Single skin Sandwich
Fibra
Zona Permeabilità K Vf (%) h (mm)
1
x
Vetro Chiglia
3,53 e-10
42
8,96
2
x
Naturale Chiglia
1,31 e-10
38
20,88
3
x
Vetro
Fondo
1,03 e-10
42
4,48
4
x
Naturale Fondo
1,07 e-10
42
10,67
5
x
Vetro
Fianco
4,84 e-10
50
2,96
6
x
Naturale Fianco
2,41 e-10
36
7,48
Tab.1
pendenza, favoriscono l’impregnazione e
la fuoriuscita di bolle di aria all’interno
della membrana.
iniezione
periferica:
C = 1/16 (0,0625)
TEST DI PERMEABILITÀ
iniezione puntuale:
con:
Fig.1: Schemi strategie
di iniezione
Il metodo più veloce è l’iniezione periferica, mentre per la strategia di iniezione
puntuale si ha una forte dipendenza dal
diametro dell’immissione rendendo più
difficile stabilire il tempo di riempimento,
condizionato anche dal livello di bagnabilità delle fibre nel punto di immissione.
La strategia a “spina di pesce” nella fabbricazione di manufatti di grandi dimensioni risulta quanto di più simile
all’iniezione periferica; le linee trasversali, inoltre, viaggiando sulle parti ad alta
32
Fig.2: Test di laboratorio – Politecnico di Milano
Compositi
Per simulare il processo di infusione si
ha una prima fase di testing su campioni per determinare i parametri fisici
necessari al software per implementare la simulazione. Il lavoro ha un duplice obbiettivo: simulare il processo con
materiali già utilizzati in linea da par te
di Ferretti Group, quindi secondo piani
di laminazione prestabiliti, per avere
una semplificazione del layout di infusione restando nel range di utilizzo della matrice; valutare la possibile
sostituzione di materiali convenzionali
con fibre naturali, mantenendo lo stesso layout e medesime condizioni operative.
Le precedenti esperienze di studio condotte al Politecnico di Milano sulle fibre
naturali e bio-compositi [3][4] hanno dato indicazioni sul “gap”, a parità di matrice, tra queste e il vetro [5]. Quindi si è
Fig.3: Grafico Tempo – distanza fronte
flusso di resina. Curva di tendenza
parabolica interpolazione funzione Tfill
provveduto a stimare un nuovo piano di
laminazione adeguato, pur non supportato in via preliminare da test di caratterizzazione meccanica, step conseguente e
necessario alla piena validazione del materiale.
La misura di permeabilità non ha uno
standard di riferimento, anche se la tecnica più utilizzata è la misura tramite
Processo infusivo per uno scafo in bio-composito >>
Fig.4: Simulazione Campione
1 T fill - tempo di riempimento
Fig.5: Spessore Campione 1
monitoraggio dell’avanzamento del fronte monodirezionale di resina. Pertanto,
durante il test di iniezione delle strisce,
la posizione del flusso è stata registrata
nel tempo ottenendo le informazioni necessarie al calcolo della permeabilità.
Per ricavare i dati di permeabilità dei rin-
Fig.6: Permeabilità media k
Campione 1
forzi si è lavorato su campioni di dimensioni 20 x 80 cm con iniezione dal lato.
Tutti i campioni sono stati impregnati alle stesse condizioni operative e con la
medesima matrice per avere un parallelismo non influenzato, ad esempio, da
pressione o temperatura.
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Fig.7: Contenuto Volumetrico
di fibra (%)
DATI SPERIMENTALI
Il test è stato condotto a 25°C, con una
pressione di 0,8 bar e una viscosità della matrice di 120 mPa*s.
Individuata la frazione volumetrica di fibra si è valutato il tempo di riempimento
(tfill) in relazione alla distanza percorsa
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Nautica
Fig.8: Valori di Permeabilità media K
Fig.9: Frazione volumetrica di fibre (%)
Fig.10: Tempo di riempimento dello scafo con fibre di vetro
Fig.11: Valori di Permeabilità media K
dal fronte del flusso di resina. Conoscendo le proprietà dei rinforzi negli strati, è
possibile usare una media pesata, trascurando in prima approssimazione i
flussi tra gli strati e trasversali per ottenere la permeabilità del laminato (k).
I valori sperimentali ottenuti sono stati
inseriti nel software, per simulare i singoli campioni, confrontando i valori sperimentali con quelli ottenuti dalla
simulazione. In questa fase si tara il sistema e si verificano eventuali discrepanze tra il test di cinetica di infusione e
la simulazione. In tabella 1 sono riportati i valori ottenuti per ciascun campione.
A titolo di esempio, il grafico di fig. 3 ottenuto mediante i dati ricavati in laboratorio e la relativa simulazione, con il
valore di k individuato.
SIMULAZIONE DELLO SCAFO
Terminata la fase di caratterizzazione
dei laminati dal punto di vista cinetico
del processo, attraverso le prove sperimentali e con l’ausilio del software per
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Compositi
la verifica dei parametri ottenuti, si procede con l’impor tazione della geometria, in questo caso uno scafo di Ferretti
Group, con lunghezza di circa 17 m e baglio massimo di circa 4,9 m. Si effettua
una discretizzazione spaziale e si va a
definire la composizione dei laminati
(spessore, contenuto volumetrico in fibra, valore di permeabilità) e la viscosità della matrice. Vengono poi definiti i
parametri fisici e il layout di processo,
assegnando pressioni, punti di iniezione
di aspirazione e relative linee. Con l’ausilio di RTM –Worx si ha la risoluzione
delle equazioni e si può visualizzare l’evoluzione di tutti i parametri fisici.
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
Le figure 8 e 9 sono relative alla simulazione di infusione con laminati in vetro,
esattamente la medesima composizione
dei campioni 1, 3 e 5.
In figura 10 viene mostrato il tempo di
riempimento, ovvero il tempo necessario per infondere l’intero scafo, che per
la struttura in fibra di vetro è pari a
1,19 ore.
Nelle figure 11 e 12 i risultati della simulazione con l’utilizzo di fibra naturale in
sostituzione della fibra di vetro, utilizzando la stessa laminazione dei campioni
2, 4 e 6.
La simulazione di processo con fibre naturali ha dato come risultato un tempo di
riempimento pari a 2,68 ore.
ANALISI DEI RISULTATI
Confrontando le due simulazioni si notano comportamenti diversi, emersi anche
in fase di test in laboratorio, legati soprattutto alla permeabilità e alla frazione
volumetrica.
Il tempo di riempimento per la simulazione con fibre naturali è più alto e, mantenendo lo stesso layout di infusione per
lo scafo con fibre naturali, si ha un Tfill
pari a circa il doppio di quello ottenuto
con le fibre di vetro. Risultato attribuibile in parte, oltre alle osservazioni fatte
in precedenza, anche alle fibre che non
Processo infusivo per uno scafo in bio-composito >>
Fig.12: Frazione volumetrica di fibre (%)
Fig.13: Tempo di riempimento dello scafo con fibre naturali
Fig.14: Simulazione con fibre di vetro
Fig.15: Simulazione con fibre naturali
sono apprettate come quelle di vetro.
La possibilità di visualizzare attraverso il
software come avanza il flusso di resina
nel tempo permette anche di constatare
come la resina, nella seconda simulazione, seppur impieghi più tempo per impregnare l’intero scafo, mostri un fronte
di flusso più omogeneo rispetto a quello
ottenuto con materiali convenzionali.
CONCLUSIONI
Il lavoro svolto ha fornito risultati confortanti su entrambi gli obbiettivi prefissati.
La semplificazione del layout del network
di infusione ha portato a tempi del tutto
analoghi a quelli impiegati in fase di produzione da parte di Ferretti Group, e il
tempo ottenuto con la simulazione con
laminati convenzionali, 1,19 ore, rientra
nei parametri di gel-time della matrice.
L’utilizzo di RTM-Worx si è rivelato un ottimo supporto nella predizione del risultato per ciò che riguarda l’eventuale impiego di fibre naturali, mostrando le potenzialità dello strumento come ausilio
alla fase sperimentale di laboratorio. La
seconda simulazione mostra, inoltre,
come il layout del network di infusione
sia insufficiente per realizzare lo scafo
in tempi congrui. Da qui la possibilità di
modificare sia i punti di iniezione che le
linee di infusione e di ricalibrare il processo raffinandolo e ottimizzandolo,
procedura che con l’ausilio di uno strumento come quello provato ha il vantaggio di ridurre i tempi di analisi e quindi i
costi. L’applicazione di questo metodo
e l’impiego di tali strumenti, combinati
all’esperienza pratica, facilita l’ingegnerizzazione del processo e l’ottimizzazione della produzione, soprattutto su
pezzi di grandi dimensioni come scafi e
ponti di imbarcazioni.
■
Ringraziamenti
Si ringraziano Ferretti Group, in par ticolare
l’ing. Andrea Crucianelli per la preziosa collaborazione; Lecco Innovation Hub, soprattutto
l’ing. Cristian Ferretti per le prove svolte;
Polynt, il Sig. M. Dainelli, per aver fornito la resina necessaria per le prove.
>>
BIBLIOGRAFIA
REFERENCES
[1] Koorevaar, Proc. 23rd Int. SAMPE Europe Conf., Paris expo, Porte de Versailles,
Paris, April 9 th – 11 th, 2002, pg. 633-644.
[2] Koorevaar, ISCM 2002, NLR Vollenhove, the Netherlands, 31-31 May (on CDROM).
[3] Ratti, Caratterizzazione meccanica di
biocompositi per la produzione seriale di
uno skiff in “Atti del 1° Convegno Nazionale
Assocompositi”, Politecnico di Milano, Milano 25 – 26 maggio, Italia, (2011).
[4] M. Contino, “Determinazione delle proprietà meccaniche di materiali compositi a
base di fibre naturali per applicazioni nel
settore nautico”, tesi di laurea, Politecnico
di Milano, 2009 - 10, relatore R. Frassine,
correlatore A. Ratti.
[5] Ferretti, “Tecniche innovative per la
produzione di scafi in vetroresina”,tesi di
laurea, Politecnico di Milano, 2012 – 13, relatore R. Frassine, correlatore A. Ratti.
Compositi
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n
english text
Nautical
*Ferretti Group S.p.A. - **MathFem S.r.l - ***Politecnico di Milano,
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by Andrea Crucianelli* - Gianluca Massaccesi** - Andrea Ratti*** - Cristian Ferretti****
Infusion process for a biocomposite hull
We present the results of an experimental activity aimed at investigating the possibility of optimizing the infusion
process by means of a comparison between alternative solutions and the use of biocomposite laminates.
he infusion technique is not widespread in the nautical field, although it offers a potential
increase in the laminate quality, requires less manpower and reduces
worker exposure to chemical agents.
The reason is related to the difficulty encountered in the fine tuning of executive
details, where preliminary testing of the
items to be produced and of the construction site equipment to be used is
required. In support of this stage several simulation tools are available today
that allow the manufacturer to acquire
prior information about the manufacturing process, an estimate of the expected results and an optimization of the
infusion network.
The use of such tools, in conjunction
with data obtained from the mechanical
characterization tests of the lamination
plans, offers an extremely accurate prediction of the result, with a consequent
reduction of costs and time and therefore it can support the manufacturers in
the transition to closed-mold processing
techniques.
Another possible use of such simulation
techniques is to assess the implications
of the introduction of new materials.
This is the case, for example, of the possibility of converting lamination plans
currently in use with alternatives involving the use of reinforcement materials
obtained from natural fibers and/or
binder materials derived from renewable
resources.
In the following we report the preliminary results of an experimental activity
where we examined in successive
stages the optimization opportunities of
the infusion process by comparing alternative solutions and studying in depth
the possibility of exploiting biocomposite
laminates with the support of laboratory
investigations.
T
THEORY
Darcy’s law, which well describes the
flow of a fluid through a porous medium,
can be used to model the process of
vacuum infusion, where the fluid is the
resin and the porous medium is the reinforcement. As far as other parameters
are concerned, i.e. reaction kinetics, the
Kamal-Sourour model is used [1][2].
In the treatment of the infusion phenomenon the effect of gravity cannot be ignored: 100 mbar of vacuum is lost for
every meter height, which is the force
necessary to lift up the resin in the
steep regions. The formula of the law including the gravity term is:
where the term Q/A represent the surface velocity, K is the permeability tensor, η is the resin viscosity, p is the
pressure, ρ is the resin density and g is
the gravity vector. The only unknown is
the permeability K, which can be determined experimentally and is related to
the porosity of the reinforcement.
One can notice that the formulation of
Darcy’s law is affected by process parameters, i.e. pressure and geometry,
and by material parameters, i.e. resin
viscosity and permeability.
In conditions of unidirectional flow the
continuity equation and Darcy’s law yield
the following solution:
where tfill is the reinforcement impregnation time, Φ is the porosity and C a constant depending on the injection strategy adopted.
INJECTION STRATEGIES
The choice of a suitable injection strategy is of fundamental importance for a
complete and correct impregnation of
the laminate, without the presence of
voids or air before the gel time of the
resin is reached.
Whatever strategy is adopted, it can be
traced back to one or a combination of
three basic types: side injection, peripheral injection and point injection.
Schematically:
side injection: C = 1/2
peripheral injection: C = 1/16 (0,0625)
point injection:
with:
The fastest method is the peripheral injection, while the point injection displays
a strong dependence on the injection diameter which makes the determination
of the filling time harder, also due to the
wettability level of the fibers at the injection point.
The fishbone strategy in the production
of large-size objects is the closest one
can get to peripheral injection. Furthermore, the transverse feeding lines running along the steepest parts favour the
impregnation and the evacuation of air
bubbles in the membrane.
PERMEABILITY TEST
The simulation of the infusion process
foresees a first stage where samples
are tested to determine the physical parameters required by the simulation software. The work has a double goal: First,
the simulation of the process with materials already used by Ferretti Group, i.e.
according to predetermined lamination
plans, in order to achieve a simplification of the infusion layout while remaining within the working parameter range
of the matrix. Second, the evaluation of
a possible replacement of conventional
Compositi
37
n
All the mentioned figures
refer to the italian version
Nautical
materials with natural fibers, while keeping the same layout and the same operating conditions.
Previous case studies performed at Politecnico di Milano on natural fibers and
biocomposites [3][4] have provided indications about the “gap” between the latter and glass fibers when the same matrix is used [5]. Then we proceeded to
draw a new lamination plan ad hoc. In a
first stage, the lamination plan was not
supported by mechanical characterization tests – which is the subsequent and
necessary step in order to obtain a full
validation of the material.
There is no reference standard for the
permeability measurement, although the
most common measurement technique
is monitoring the advancement of the
unidirectional flow front of the resin.
Therefore, during the injection test, the
position of the flow front versus time was
recorded thus obtaining the information
required to calculate the permeability.
In order to obtain the permeability data
for the reinforcements we worked on
20 x 80 cm samples with side injection. All samples were impregnated
under the same operating conditions
and the same matrix so that a correct
comparison could be drawn excluding
the influence, e.g., of pressure and
temperature.
EXPERIMENTAL DATA
The test was performed at 25°C, at a
pressure of 0,8 bar and a matrix viscosity of 120 mPa*s.
After the determination of the fiber volume content we evaluated the filling
time (tfill) versus the distance covered by
the resin flow front. If the properties of
the layer reinforcements are known, as
a first approximation it is possible to
use a weighted average and neglect
transverse and interlaminar flows and
thus get the laminate permeability (k).
The experimental values have been fed
into the software in order to simulate
the individual samples and thus compare the experimental results with the
outcome of the simulation. In this step
the system is calibrated and the occurrence of discrepancies between the simulation and the infusion kinetics test is
checked. We report in Table 1 the values
obtained for each sample.
An example is the diagram in Fig. 3,
38
Compositi
which was obtained from the laboratory
data and the corresponding simulation,
with the value of k thus extracted.
HULL SIMULATION
After the completion of the laminate
characterization in terms of the process
kinetics by means of the experimental
tests and of the software verification of
the measured parameters, we proceeded importing the geometry, i.e. a hull designed by Ferretti Group, with a length of
about 17 m and a maximum beam of
about 4.9 m. A spatial discretization is
performed and the laminate composition (thickness, fiber volume content,
permeability value) as well as the matrix
viscosity are defined. Physical parameters and process layout are then determined by stting pressures, injection and
suction points and their feeding lines.
The solution of the problem’s equations
and the visualization of all physical parameters is performed using RTM-Worx.
SIMULATION RESULTS
Figures 8 and 9 correspond to the simulation of glass laminate infusion, where
the composition is exactly the same as
in samples 1, 3 and 5.
Figure 10 shows the filling time, i.e. the
time required to the infusion of the
whole hull, which is equal to 1.19 hours
in the case of the glass fiber structure.
Figures 11 and 12 show the results of
the simulations where natural fibers replace glass fibers and the same lamination of samples 2, 4 and 6 is used.
The simulation of the process using natural fibers yielded a result of 2.68 hours
for the filling time.
ANALYSIS OF THE RESULTS
From the comparison of the two simulations we can notice different behaviours
that also appeared during the laboratory
tests, related in particular to the permeability and the volume fraction.
The simulation for natural fibers yields a
higher filling time and in particular Tfill is
about twice as that obtained with glass
fibers if the same infusion layout is implemented for the hull using natural
fibers. This result comes out in part from
the previous remarks as well as from the
fact that the finishing of glass fibers is
absent in natural fibers. Thanks to the
ability to monitor the simulated advance-
Fig.1: Scheme of the injection strategies
Fig.2: Laboratory test – Politecnico di Milano
Fig.3: Graph of Time vs Distance of the resin
flow front. Parabolic trend curve fitting Tfill
function
Fig.4: Simulation sample 1 Tfill - filling time
Fig.5: Thickness sample 1
Fig.6: Average permeability K sample 1
Fig.7: Fiber volume content (%)
Fig.8: Values of average permeability K
Fig.9: Fiber volume content (%)
Fig.10: Filling time of the hull using glass fibers
Fig.11: Average permeability K values
Fig.12: Fiber volume content (%)
Fig.13: Filling time of the hull using natural fibers
Fig.14: Simulation with glass fibers
Fig.15: Simulation with natural fibers
ment of the resin flow front in time, we
can also notice that in the second simulation, while the resin takes more time to
fully impregnate the hull, the flow front is
more homogeneous with respect to that
obtained with conventional materials.
CONCLUSIONS
The work we performed provided encouraging results in terms of both goals we
had set. The simplification of the infusion network layout resulted in process
times similar to those obtained by Ferretti Group in their production stage, and
the time yielded by the simulation of
conventional laminates, i.e. 1.19 hours,
fits within the resin gel-time parameters.
The use of RTM-Worx demonstrated that
the software is an excellent predictive
tool as far as the possible use of natural
fibers is concerned, showing the potential
of this tool as a valuable support to the
laboratory experimental stage. The second simulation also shows that the layout
of the infusion network is not sufficient to
manufacture the hull within the appropriate time. This observation supports the
opportunity of modifying both the injection points and the infusion lines, re-calibrating, fine-tuning and optimizing the
process: with the help of tools of the likes
of the ones tested in this work, such procedure offers the advantage of reducing
the analysis time and therefore the costs.
The application of this method and the
use of these tools together with practical
experience facilitates the process engineering and the manufacturing optimization, especially when dealing with largesize items like hulls and decks.
■
Acknowledgments
We thank Ferretti Group and especially engineer Andrea Crucianelli for the valuable collaboration; Lecco Innovation Hub and especially
engineer Cristian Ferretti for the per formed
tests; Polynt and Mr. M. Dainelli for providing
the resin required to per form the tests.