CAPITOLO 41 TECNOLOGIE PER INFUSIONE: RTM, VARTM E RFI

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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01CAP. 41 - TECNOLOGIE PER INFUSIONE: RTM, VARTM E RFI. TECNOLOGIE DEI PMC A FIBRA DISCONTINUA: SPRAY-UP, RIM, BMC, SMC
CAPITOLO
41
41 TECNOLOGIE PER INFUSIONE: RTM, VARTM E RFI.
TECNOLOGIE DEI PMC A FIBRA DISCONTINUA:
SPRAY-UP, RIM, BMC, SMC
suscitato grande interesse da parte dell’industria
aerospaziale per la produzione di componenti strutturali
complessi e vengono descritte in questo capitolo. La
Tabella 41.1 riporta le principali caratteristiche di alcune
di queste tecniche.
Sinossi
L
e tecniche per infusione di resina liquida
consentono la produzioni di componenti in
composito molto complesse, con spessori anche elevati
e con strette tolleranze dimensionali. Come
conseguenza, risulta spesso possibile produrre in unico
componente pezzi altrimenti ottenuti per assemblaggio
di più parti prodotte singolarmente. Un altro vantaggio
è la possibilità di integrare elementi prodotti
separatamente e strutture sandwich, direttamente in
fase di produzione. Il Resin Transfer Molding (RTM)
rappresenta la tecnica più comune; è un processo a
stampo chiuso, in cui è inserito il sistema di rinforzo
secco (fibre, tessuti, preforma) e in cui la resina viene
iniettata in pressione e reticolata. Sulla base di RTM
sono stati sviluppati numerosi processi che prevedono,
ad esempio, l’impiego del vuoto per l’aspirazione della
resina in stampo chiuso, l’infusione della resina
assistita da vuoto in un sistema stampo aperto/sacco a
vuoto contenente il rinforzo (Vacuum assisted resin
transfer molding – VARTM; con diverse varianti),
l’infusione di film di resina attraverso lo spessore del
letto di fibre/tessuti di rinforzo (Resin film infusion RFI). Inizialmente impiegate solo nella produzione di
componenti rinforzati in ambito automobilistico,
navale, civile, alcune di queste tecniche hanno
Esiste inoltre un grande numero di importanti processi
impiegati ampiamente per la produzione di componenti
rinforzati in diversi ambiti industriali, ma di limitata
importanza in campo aerospaziale; anche in tale ambito
tuttavia, queste tecniche risultano di interesse per
componenti non strutturalmente critici e/o destinati ad
applicazioni a perdere, come ad esempio serbatoi
supplementari o lanciatori, con stringenti requisiti di
economicità. Questi sono spesso componenti rinforzati
con fibre di vetro e resine termoindurenti reticolabili a
bassa temperatura.
Alcune di queste tecniche vengono descritte in questo
capitolo, in particolare la laminazione manuale e spray, lo
stampaggio per compressione, lo stampaggio per
iniezione.
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autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
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Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
Tabella 41.1 – Peculiarità dei principali processi di
infusione di resina
Resin
transfer
molding
(RTM)
- resina iniettata in stampo + controstampo rigidi,
sotto pressione
- può essere impiegato vuoto per assistere l’iniezione
- si possono ottenere elevati contenuti di fibra (55-60
% vol)
- si possono co-iniettare diversi sistemi di resina
(CIRTM)
Vacuum
assisted
RTM
(VaRTM)
- utilizza normalmente un solo stampo rigido + sacco
sigillato (a volte sistema stampo + controstampo –
vedi RTM)
- impiega solo vuoto (senza pressione) per aspirare la
resina nello stampo
- richiede resine a bassa viscosità
- ottima finitura sul lato stampo
- attrezzature più economiche che in RTM
- contenuti di fibra fino a 50-55% vol
- diverse tecnologie (ad es. SCRIMP - Seeman
composite resin infusion molding process e
FASTRAC – fast remote actuated channelling) sono
brevettate.
Resin film
infusion
(RFI)
- film di resina è posto sulla superficie dello stampo;
calore e pressione in autoclave fluidificano e
spingono la resina attraverso la preforma
- utilizza normalmente stampo + controstampo
- permette la produzione di componenti di alta qualità
- variazioni prevedono l’infusione di resina già
liquida (RLI) o l’interposizione di film di resina tra
gli strati di fibre (SPRINT).
La preforma
Il sistema di rinforzo è costituito da una preforma di fibre
continue o discontinue oppure tessuti, assemblate con
l’ausilio di leganti polimerici (binder) che permettono di
mantenere la forma durante il maneggiamento. Sistemi di
cucitura e agugliatura (stitching), di tessitura in tre
dimensioni (ad esempio tessuti multiassiali e braiding)
permettono di ottenere preforme anche complesse, stabili
e ripetibili mediante attrezzature automatiche. La Figura
41.2 mostra alcuni esempi di tecniche di produzione di
preforme impiegabili in processi RTM. La Figura 41.3
mostra la produzione di una preforma in fibra di vetro
mediante braiding.
41.1 Resin Transfer Molding – RTM
I
l processo RTM prevede la produzione di una
preforma di fibre secche che viene posta all’interno
di uno stampo chiuso, l’iniezione in pressione di resina
a bassa viscosità e la reticolazione nello stesso stampo,
l’apertura e l’estrazione del pezzo praticamente finito.
Le fasi della lavorazione sono riassunte nella Figura
41.1.
Figura 41.1 – Fasi del processo RTM per la produzione
di componenti in composito.
Figura 41.2 – Alcune tecniche di produzione di preforme.
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Per applicazioni che non richiedono elevate prestazioni,
ad esempio in ambito automobilistico o delle costruzioni,
vengono impiegate preforme in mat di fibre discontinue o
unifilo, solitamente in vetro, con la possibilità di ottenere
forme complesse in modo rapido ed economico.
Tabella 41.2 – Aspetti positivi e criticità di diverse tipologie
di preforme.
Figura 41.3 – Produzione mediante braiding di una
preforma in fibra di vetro.
Le attrezzature di produzione delle preforme sono state
adattate per poter lavorare con fibre di alta rigidezza e
durezza. Tuttavia le operazioni di tessitura introducono
spesso degradazione delle fibre a causa di abrasione e
piegatura dei fili; per ridurre tali effetti sono sempre
impiegati appretti polimerici protettivi e lubrificanti,
che devono risultare compatibili con le matrici di
impregnazione. Inoltre, nelle operazioni di tessitura, è
generalmente necessario utilizzare trefoli arrotolati
(twisted); questo introduce disallineamento delle fibre
e riduzione delle caratteristiche di resistenza e
rigidezza rispetto a fibre allineate.
Rinforzi tridimensionali, con fibre dirette nelle tre
direzioni, sono utilizzati normalmente per migliorare
la stabilità e la maneggiabilità della preforma, per
migliorare la resistenza a delaminazione, per
incrementare la resistenza/rigidezza a sollecitazioni
fuori dal piano. Se l’obiettivo è la maneggiabilità,
1-2% di fibre allineate in direzione z (fuori dal piano)
sono sufficienti; se l’obiettivo è di migliorare la
resistenza a delaminazione, 3-5 % di fibre in direzione
z forniscono importanti incrementi di resistenza
interlaminare e durabilità; per resistere ugualmente a
sollecitazioni fuori dal piano, come nel piano possono
essere necessarie frazioni di fibra in direzione z fino a
33 %.
L’impiego di preforme presenta diversi vantaggi rispetto a
tecniche di laminazione tradizionali. Preforme possono
essere facilmente maneggiate, trasportate, deformate e
pressate nello stampo. Preforme diverse possono essere
assemblate e impregnate/reticolate contemporaneamente
(cocuring) ad ottenere componenti complessi senza
giunzioni, ad esempio pannelli con costole di
irrigidimento possono essere ottenuti assemblando
preforme ottenute separatamente, che vengono poi
impregnate e indurite in unico stampo e processo (Figura
41.4). La produzione separata delle preforme ottimizza i
tempi di inserimento del rinforzo in stampo, riducendo i
costi di produzione. D’altra parte, la generazione di
preforme complesse a partire da fibre o tessuti piani
comporta
flessione,
formazione
di
pieghe
e
disallineamenti delle fibre oltre che una minore frazione di
Figura 41.4 – Preforme di travi ed elementi di
irrigidimento in carbonio.
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rinforzo nel composito finale con riduzione delle
prestazioni rispetto a laminazioni con nastri
unidirezionali. L’impiego di software di simulazione
della deformazione di tessuti e fibre consente di
seguire il posizionamento del rinforzo (draping),
ottimizzando distribuzione e orientamento di fibre e
tessuti, compatibilmente con i requisiti della preforma
e della preformatura, individuando eventuali zone
critiche e suggerendo possibili modifiche per la loro
soluzione.
formazione di vuoti e porosità. La Tabella 41.3 riassume
l’influenza dei diversi parametri operativi sulla
conduzione del processo e sulla qualità del manufatto.
La viscosità è uno dei fattori di maggiore importanza nella
scelta della resina per RTM. Resine con viscosità basse,
inferiori a 500 cP sono tipiche per questa tecnologia.
Sebbene siano state impiagate anche resine con viscosità
maggiori, queste impiegano temperature e pressioni
superiori e richiedono pertanto stampi più rigidi e pesanti
per evitare deformazioni in fase di iniezione. La resina
viene miscelata con il catalizzatore o il reticolante prima
dell’iniezione e normalmente viene degasata per eliminare
aria intrappolata e sostanze volatili. Resine epossidiche e
bismaleimmidiche a bassa viscosità sono impiegate nella
produzione di componenti aerospaziali; peraltro, al
momento, tali resine producono prestazioni generalmente
inferiori rispetto a quelle delle matrici per preimpregnati,
soprattutto per quanto riguarda la resistenza interlaminare.
Attualmente, solo pochi sistemi di resina sono qualificati
per impieghi aerospaziali; tra queste la resina più comune
è Hexcel RTM6. Resine poliesteri, vinilesteri e altre
trovano applicazioni in altri settori industriali.
La Tabella 41.2 riassume i principali vantaggi e
svantaggi di diverse tipologie di preforme.
Iniezione della resina
Una volta che la preforma o i tessuti di rinforzo sono
posizionati nello stampo, questo viene chiuso in pressa
e viene iniettata la resina liquida in pressione. Il
processo di infiltrazione della resina attraverso le fibre
segue la legge di Darcy che descrive il flusso di un
fluido attraverso un mezzo poroso: la velocità del
fluido (v), è proporzionale alla permeabilità della
preforma (K) e al gradiente di pressione  P, è
inversamente proporzionale alla viscosità della resina
(); considerando le componenti di flusso nelle tre
direzioni la legge di Darcy è:
v
La Figura 41.5 mostra uno schema di processo RTM.
Oltre che per il degasaggio preliminare della resina, il
vuoto è spesso utilizzato anche durante l’iniezione, per
assistere l’infiltrazione della resina, rimuovendo l’aria
intrappolata nella preforma e nello stampo. Il vuoto aiuta
il flusso della resina e rimuove, oltre all’aria, umidità e
sostanze volatili, favorendo l’eliminazione di vuoti e
porosità con un significativo effetto sulla qualità e sulle
prestazioni strutturali del manufatto. Naturalmente è
fondamentale che lo stampo sia sigillato e non permetta
l’ingresso di aria, che altrimenti non consentirebbe il
completo riempimento.
Sebbene la pressione di iniezione possa variare dalla sola
aspirazione del vuoto fino a 30-35 bar, pressioni effettive
di 7 bar o meno vengono solitamente impiegate. Pressioni
eccessive, oltre a richiedere stampi più pesanti, possono
indurre spostamenti e deformazioni della preforma
durante l’ingresso della resina.
Il tempo di riempimento dello stampo è funzione della
viscosità della resina, della permeabilità della preforma,
della differenza di pressione tra ingresso e uscita della
resina, delle dimensioni del manufatto, del numero e
posizione dei punti di iniezione. Solitamente sono
possibili diverse strategie di progettazione dell’iniezione;
la Figura 41.6 mostra tre comuni modalità: a) iniezione
laterale, b) iniezione centrale o puntuale, c) iniezione
periferica. Nell’iniezione laterale la resina entra su un lato
della preforma e fluisce in una direzione; l’aria viene
espulsa o aspirata sul lato opposto. Nell’iniezione centrale
la resina è iniettata in uno o più punti al centro della
preforma e la resina fluisce radialmente; l’aria è espulsa
mediante canali posti sulla periferia della forma.
Viceversa, nell’iniezione periferica, la resina fluisce a
partire da canali periferici verso il centro della preforma,
dal quale esce l’aria espulsa. Quest’ultima modalità risulta
K
P

v e K sono rispettivamente il vettore velocità e il
tensore permeabilità del mezzo nelle tre direzioni.
Assumendo invece un flusso monodirezionale,
considerando che la velocità è pari alla portata per
unità di area (Q/A) l’equazione diventa:
Q K  dP 
 

A η  dL 
dove L è il percorso di infiltrazione.
Per potere riempire lo stampo in tempi ridotti (Q/A
elevato), è necessario impiegare una preforma con alta
permeabilità, operare ad alta pressione, utilizzare una
resina a bassa viscosità. Per ridurre la viscosità della
resina è possibile operare a resina e/o stampo
preriscaldati, anche se questo riduce il tempo di
indurimento. Ove necessario possono essere impiegati
punti di ingresso della resina nello stampo multipli,
allo scopo di velocizzare il riempimento e raggiungere
anche zone critiche.
La resina ideale per RTM ha una bassa viscosità, che
consente di completare l’impregnazione della
preforma, un tempo di reticolazione sufficientemente
lungo alla temperatura di iniezione per consentire il
riempimento anche a pressione non eccessiva e un
basso contenuto di sostanze volatili per minimizzare la
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solitamente più rapida, anche se lo stesso componente
può normalmente essere prodotto indifferentemente
con strategie diverse.
Tabella 41.3 – Influenza dei parametri di lavoro sul processo RTM e sul manufatto.
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fragilità, sia per evitare percorsi preferenziali della resina,
che raggiungerebbe i canali di uscita prima di avere
completato il riempimento e l’impregnazione delle fibre.
La forma del manufatto deve quindi cercare di evitare la
presenza di spigoli e raggi di curvatura ridotti e zone con
contenuto di fibre molto diverso. La progettazione del
componente prodotto con RTM dovrebbe quindi tenere in
considerazione anche i requisiti specifici del processo
produttivo, oltre che strutturali e funzionali del manufatto.
Al termine del riempimento il canale di uscita viene
sigillato e la resina viene portata a reticolazione,
solitamente mantenendo applicata pressione. Per il
riscaldamento, gli stampi sono dotati di circuito di
riscaldamento integrato, oppure vengono inseriti in forno
o pressa a piani caldi. La Figura 41.7 mostra la preforma
ed il relativo componente in carbonio/epossidica prodotto
mediante RTM.
Figura 41.5 – Schema di impianto RTM
Figura 41.7 – Preforma e componente in carbonio epossidica
prodotto con RTM (Lamiflex Group).
41.2 Resin Film Infusion – RFI
I
l processo RFI è una variante di RTM sviluppata
specificatamente per applicazioni aerospaziali da
NASA e Boeing per affrontare alcune problematiche di
RTM tradizionale. In particolare resine impiegate in
preimpregnati e qualificate per impieghi aerospaziali
hanno tipicamente viscosità troppo alte per poter fluire
attraverso preforme di grosse dimensioni, costituite da
tessuti cuciti tra loro (agugliati – stitched). Con questo
processo, uno strato di resina, solida a temperatura
ambiente (la resina inizialmente impiegata è Hexcel 35016) viene posto sulla superficie dello stampo inferiore; su
questo vengono quindi posizionate la preforma di tessuti
cuciti, lo stampo superiore e il sacco a vuoto (Figura
41.8). Durante il ciclo in autoclave la resina, riscaldata,
diventa fluida e infiltra la preforma per effetto del vuoto e
della
pressione
dell’autoclave.
Al
termine
dell’infiltrazione viene innalzata la temperatura e portata a
reticolazione la resina. Un tipico ciclo in autoclave per
RFI è rappresentato in Figura 41.9.
Figura 41.6 – Modalità di iniezione della resina
E’ importante che la preforma occupi uniformemente
tutto lo spazio disponibile all’interno dello stampo, sia
per evitare zone ricche di resina nel manufatto finale,
che rappresentano generalmente punti di debolezza e
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resine in grado di mantenere una viscosità
sufficientemente bassa (100-300 cP) per il tempo
necessario alla completa permeazione (fino a 120 min)
prima della reticolazione. La conduzione del processo
richiede perciò una corretta comprensione delle relazioni
tra compattazione e permeabilità della preforma e tra
viscosità e cinetica di reazione della resina. Con questa
tecnica sono stati prodotti pannelli alari con irrigidimenti
integrati in unico componente di lunghezza superiore a 12
m (Figura 41.10).
Figura 41.8 – Schema del processo RFI
Varianti del processo prevedono l’interposizione di strati
di resina tra i tessuti o l’impiego di resina liquida a bassa
temperatura (RLI).
41.3 RTM assistito da vuoto (VaRTM)
I
l processo VaRTM utilizza il solo vuoto sia durante
l’infusione che durante la reticolazione. Stampi e
attrezzature sono più economici e semplici rispetto a RTM
convenzionale. Inoltre, poiché l’autoclave non è
necessaria, è possibile produrre strutture di grandi
dimensioni. L’impiego di basse pressioni rende inoltre
agevole l’inserimento di rinforzi e irrigidimenti costituiti
da schiume espanse. Tra le tipiche applicazioni si
ricordano yacht e imbarcazioni in generale. La tecnica è
stata anche recentemente impiegata per la costruzione di
piccoli velivoli.
Figura 41.9 – Ciclo in autoclave per RFI
Nel VaRTM viene utilizzato un solo semistampo rigido su
cui sono posizionati la preforma o tessuti secchi di
rinforzo e il sacco a vuoto (Figura 41.11). Solitamente
viene impiegato anche un mezzo poroso che facilita il
trasporto omogeneo delle resina lungo la superficie e la
saturazione della preforma. In questo caso l’infiltrazione
delle fibre avviene principalmente attraverso lo spessore
del rinforzo. Il mezzo poroso è spesso costituito da una
maglia in nylon o polipropilene. La presenza del mezzo
poroso riduce la possibilità di formazione di percorsi
preferenziali per la resina.
Figura 41.10 – Pannello alare integrale prodotto
mediante RFI (NASA- Boeing)
Figura 41.11 – Schema di VaRTM
Con questa tecnica viene drasticamente ridotto il
percorso di permeazione della resina: ciò consente di
operare a temperature superiori, così da ridurre la
viscosità della resina a valori utili per l’impregnazione
prima che intervenga la reticolazione. Al fine di
assicurare il completo riempimento, sono necessarie
Il riscaldamento dello stampo per la reticolazione della
resina può essere condotto sia in forno che mediante
elementi riscaldanti integrati nello stesso stampo. Date le
basse pressioni coinvolte gli stampi sono leggeri; i
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ingresso e uscita, l’effettivo gradiente di pressione dP/dx,
dove x è il percorso di riempimento, diminuisce man
mano che le resina fluisce nella preforma (Figura 41.13).
In accordo con la legge di Darcy, quindi, la velocità di
riempimento si riduce in modo corrispondente con
l’avanzare del fronte di resina.
materiali impiegati possono essere diversi, come
lamiere in acciaio, stampi in alluminio, a tavole fresate
in resina polimerica, stampi in fibra di vetro.
Al fine di minimizzare differenze nella pressione di
compattazione e a maggiore garanzia di tenuta, può
essere impiegato un sistema a doppio sacco con mezzo
poroso (breather) interposto tra i due (Figura 41.12). Il
vuoto, aspirato tra i due sacchi, è in grado di prevenire
l’ingresso di aria nella preforma attraverso eventuali
perdite nel primo sacco. Il film del sacco a vuoto può
essere riutilizzato per ridurre i costi, soprattutto nel
caso di forme estese e complesse.
Sempre in conseguenza della ridotta pressione impiegata,
con VaRTM risulta più difficile ottenere elevati contenuti
di fibra come in RTM o in laminazione in autoclave.
Operando in stampo aperto, inoltre, il controllo degli
spessori e la qualità della superficie non a contatto con lo
stampo rigido risultano inferiori rispetto a RTM.
41.4 La simulazione dei processi RTM
A
l fine di ottimizzare il percorso della resina e il
processo di riempimento globale sono disponibili
programmi di simulazione fluidodinamica che, sulla base
della legge di Darcy, consentono di stimare il percorso
della resina, il tempo di riempimento, la posizione
ottimale dei punti di ingresso/uscita della resina nei
diversi processi di trasferimento di resina.
Nella tecnologia RTM fenomeni differenti, come il flusso
di resina, la trasmissione del calore e la reazione di
reticolazione, sono coinvolti contemporaneamente durante
il processo e, al fine di sviluppare un modello generale, è
necessario realizzare dei sottomodelli specifici per i vari
fenomeni presi in considerazione.
Figura 41.12 – Schema di VaRTM con doppio sacco a
vuoto
La resina per VaRTM dovrebbe avere viscosità
inferiore a quella dei normali processi RTM; viscosità
inferiori a 100 cP sono generalmente richieste per
potere completare l’impregnazione del rinforzo in
vuoto. E’ buona norma prevedere il degasaggio della
resina prima dell’infusione, per eliminare sostanze
volatili e aria intrappolata durante la miscelazione dei
componenti.
Il processo prevede due fasi sequenziali, il riempimento e
la cura; i sottomodelli per ciascuna fase possono essere
raggruppati in due tipi. Il primo prevede tutte le relazioni
di equilibrio: quella del flusso di resina, dei flussi di
calore e del bilancio di massa. Tutte queste equazioni sono
fortemente interconnesse attraverso numerosi parametri.
Ad esempio il sottomodello che descrive il flusso della
resina, mediante la legge di Darcy, è influenzato dal
trasferimento di calore e dalla reazione di reticolazione
che influiscono sulla viscosità della resina; quest’ultima,
infatti, si modifica al variare della temperatura e del grado
di reticolazione.
Nel caso generale, considerando l’iniezione della resina in
stampo e preforma riscaldati, all’inizio del riempimento
solitamente la viscosità diminuisce all’aumentare della
temperatura a causa del contatto con le fibre e le pareti
dello stampo; contemporaneamente, questo aumento di
temperatura attiva la reazione di reticolazione, portando a
un successivo aumento di viscosità e del grado di
reticolazione che, a loro volta, sono influenzati dalla
convezione del fluido.
Figura 41.13 – Variazione della distribuzione di
pressione durante il riempimento.
In processi isotermi e nel caso di resine con velocità di
reticolazione lenta, il trasferimento di calore può essere
trascurato in prima approssimazione; assumendo viscosità
costante si lascia la modellazione del riempimento alla
sola equazione di flusso (Darcy). Allo stesso modo,
durante il processo di cura, quando la resina smette di
fluire, i termini di flusso e convezione, presenti nelle
L’infusione avviene a temperatura ambiente o
superiore. Nel caso di preforme di grandi dimensioni
(ad es. imbarcazioni) vengono impiegati punti di
ingresso ed uscita multipli, al fine di ridurre il percorso
effettivo della resina. Va infatti considerato che,
operando con differenza di pressione costante tra
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equazioni di bilancio di massa e trasferimento del
calore, possono essere trascurati.
Generalmente, per una modellazione numerica, è utile
effettuare alcune semplificazioni che, per il processo
considerato, si possono riassumere nei seguenti punti:
Nel processo RTM, le fibre in cui scorre la resina sono
considerate come un mezzo poroso. Il modello di
Darcy, tipicamente utilizzato per descrivere il moto di
un fluido in tale mezzo, può essere derivato
dall’equazione di Navier-Stokes assumendo l’ipotesi
di flusso laminare a basso numero di Reynolds
trascurando le forze d’inerzia. Inoltre si considera
valida l’ipotesi di fluido newtoniano (viscosità
indipendente dalla velocità di deformazione).
 le lamine di tessuto sono posizionate all’interno dello
stampo rigido e nessuna deformazione avviene durante
il processo di riempimento;
 gli effetti inerziali non vengono considerati; questa è
un’ipotesi ragionevole avvalorata dal basso numero di
Reynolds del flusso;
 la tensione superficiale è trascurabile in confronto alle
forze viscose che sono dominanti nel processo; si
trascurano gli effetti di capillarità;
In generale, la legge di Darcy viene applicata nelle
diverse direzioni di flusso e la permeabilità è
rappresentata da un tensore in cui tutte le componenti
sono diverse da zero; se il mezzo risulta ortotropo
(come nel caso di tessuti), è possibile individuare tre
direzioni principali e, adottandole come assi
coordinati, il tensore di permeabilità diventa diagonale.
I tre elementi diagonali così ottenuti prendono il nome
di permeabilità principali. Nel caso in cui il mezzo
risulti isotropo, il valore della permeabilità può essere
ricondotto ad uno scalare (vedi par. 41.1).
 in componenti sottili, le differenze di velocità e di
pressione nello spessore sono trascurate in modo da
poter considerare il flusso bidimensionale.
Nel caso di una modellazione tridimensionale l’ultimo
punto viene abbandonato e sarà necessaria un’attenta
valutazione della permeabilità del rinforzo in tutte le
direzioni.
La permeabilità rappresenta quindi l’attitudine del
mezzo poroso a lasciarsi impregnare da un fluido;
questa proprietà fisica è una caratteristica del rinforzo
(tessuto, mat, unidirezionale) e viene misurata
sperimentalmente lungo le direzioni principali.
I fenomeni riconducibili al trasferimento di calore
influenzano tutte le fasi di un processo RTM. La
temperatura della resina regola la reattività della
reazione di reticolazione, inoltre la stessa viscosità del
fluido è fortemente dipendente dalla temperatura e dal
grado di reticolazione. Le simulazioni di fenomeni
termici sono molto complesse perché bisogna gestire
le relazioni che intercorrono tra i vari modelli. Nella
fase di cura, inoltre, la reazione esotermica di
reticolazione produce calore; la dissipazione viscosa
durante il riempimento rappresenta invece un termine
solitamente trascurabile.
Figura 41.14 – Simulazione dell’ infusione di pala eolica. I
diversi colori indicano i tempi di riempimento (PAM-RTM).
Generato il modello per l’analisi, per risolvere il
problema è necessario imporre delle condizioni al
contorno, che possono essere di due tipi:
 le condizioni di Dirichlet o pressione imposta. La
pressione è definita e imposta su una porzione del
contorno. In questo caso rientra anche l’infusione
sotto vuoto, dove la pressione nel foro di entrata
della resina è semplicemente quella atmosferica.
Negli altri casi, invece, la pressione è imposta da
sistema di iniezione della resina;
 le condizioni di Neumann o velocità imposta. La
velocità della resina nel foro di entrata è imposta e
tale condizione è accompagnata da una pressione
massima di esercizio.
Figura 41.15 – Confronto tra simulazione e infusione reale
VaRTM di uno scafo.
In commercio esistono diversi software dedicati alla
simulazione del processo RTM (PAM-RTM, RTM Worx,
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Moldflow, ecc), che permettono di ottimizzare il
processo di produzione dando inoltre la possibilità di
simulare la fabbricazione di prodotti con geometrie
complesse (Figura 41.14Figura 41.15).
di un primo strato di resina pigmentata (gelcoat) prima
della laminazione del rinforzo consente di estrarre dallo
stampo direttamente il componente già verniciato al
termine dell’indurimento. Le resine più comunemente
impiegate sono reticolabili a freddo come le poliesteri, le
vinilesteri e alcuni sistemi epossidici, con una grande
prevalenza per le prime, che presentano un buon
compromesso tra prestazioni meccaniche, stabilità termica
ed economicità. In questo caso, l’indurimento avviene a
temperatura ambiente, al termine della laminazione, in
tempi dell’ordine di diverse decine di minuti o alcune ore.
La velocità di indurimento deve essere correlata al tempo
necessario per condurre la laminazione, evitando un
eccessivo aumento della viscosità prima della corretta
impregnazione del rinforzo. La lavorazione a basse
temperature consente l’impiego di attrezzature e stampi in
materiali economici (compositi, gesso, legno, lamiera).
41.5 Processi di formatura di compositi
per
laminazione
manuale,
compressione e iniezione
L
a laminazione manuale è una tecnica a bassa
produttività, idonea alla produzione di
componenti di dimensioni medie e grandi. Possono
essere ottenuti, con costi di attrezzature contenuti,
componenti di grandi dimensioni come scafi di yacht,
componenti di veicoli (ad esempio elementi
carrozzeria, spoiler per veicoli industriali). La tecnica
richiede un elevato carico di manodopera e la qualità
dei manufatti è molto dipendente dall’abilità degli
operatori. Il processo, schematizzato in Figura 41.16,
consiste nella deposizione manuale di strati di tessuto
e/o mat su uno stampo trattato con agente distaccante e
nella loro impregnazione, ancora manuale, con resina
liquida. La resina a bassa viscosità viene solitamente
applicata mediante pennelli e passata con rulli per
aiutarne la penetrazione attraverso il rinforzo
riducendo l’aria intrappolata ed eliminarne l’eccesso.
L’indurimento a temperature più alte, indispensabile per
alcuni sistemi di resina (soprattutto epossidica), consente
di ridurre i tempi di reticolazione e di ottenere manufatti
con prestazioni e stabilità dimensionale superiori. Il
riscaldamento, solitamente a temperature di 60-100 °C
può avvenire in forno o mediante lampade IR.
La tecnica di laminazione spray ha applicazioni simili alla
tecnica manuale e consente di ottenere strutture estese e
complesse in tempi più rapidi. Fibre continue (roving)
sono alimentate ad una particolare pistola in grado di
tagliare le
fibre a lunghezza prefissata e,
contemporaneamente, spruzzare resina e fibre sullo
stampo (Figura 41.17), stratificando fino allo spessore
desiderato. La successiva rullatura riduce l’aria
intrappolata e densifica il materiale. Fibre continue o
tessuti possono essere interposti per migliorare le
caratteristiche meccaniche. La tecnica spray si presta
all’automazione del percorso di spruzzatura, riducendo
così i costi di manodopera e ottimizzando l’uniformità
della deposizione.
Figura 41.16 – Laminazione manuale.
La laminazione/impregnazione avviene strato per
strato fino allo spessore desiderato. Solitamente, dato
il basso costo e le prestazioni limitate ottenibili,
vengono impiegati rinforzi in fibra di vetro, anche se
ove necessario possono essere impiegati anche kevlar
e carbonio. Il contenuto di rinforzo ottenibile è
generalmente limitato, solitamente inferiore a 30 %
vol. La tecnica consente facilmente l’aggiunta di
inserti, rinforzi, irrigidimenti come schiume o
riempitivi a nido d’ape.
Figura 41.17 – Pistola per laminazione spray.
Il manufatto possiede normalmente la sola superficie a
contatto con lo stampo esteticamente finita; la stesura
10
Al fine di ottimizzare la compattazione, i laminati
prodotti manualmente o mediante spray possono essere
ulteriormente compattati e portati a reticolazione in
sacco a vuoto. In questo caso, la reticolazione viene
comunque condotta a temperatura ambiente o in forno
a temperatura media (60-90 °C), senza quindi la
necessità di attrezzature relativamente costose. Una
eventuale post cura fuori stampo può portare a
completamento la reticolazione del materiale.
maneggiabilità. Viene quindi avvolto in rotoli dai quali
saranno successivamente tagliati a misura i fogli poco
prima della formatura per compressione a caldo.
Al fine di controllare le caratteristiche quali il ritiro
dimensionale durante la cura, la finitura superficiale, la
facilità di distacco dagli stampi, il comportamento al
fuoco, oltre che il costo, la resina viene solitamente
additivata con cariche minerali, lubrificanti, distaccanti,
ritardanti di fiamma ecc. Carbonato di calcio, caolino,
stearati, ossidi e idrati di calcio, magnesio, alluminio, sono
comuni additivi.
Le tecniche di compressione quali sheet molding
compound (SMC) o bulk molding compound (BMC)
consentono alte produttività e l’ottenimento di
componenti rinforzati complessi con elevate
prestazioni. La compressione in stampo chiuso, inoltre,
permette un’ottima finitura superficiale e controllo
delle tolleranze dimensionali. I consistenti costi di
investimento per presse e stampi devono essere
giustificati
da
produttività
che
tipicamente
raggiungono e superano i 100.000 pezzi anno. I
materiali
lavorati
sono
tipicamente
resine
termoindurenti (poliesteri, fenoliche, epossidiche)
rinforzate con fibre di vetro. che, introdotti nello
stampo in quantità dosata, vengono formati in
pressione e portati a indurimento a caldo (Figura
41.18).
Figura 41.19 – Produzione di preimpregnati per SMC.
Al fine di ottenere prestazioni meccaniche superiori
possono essere impiegate fibre continue orientate,
eventualmente in combinazione con fibre discontinue
random. Il riempimento dello stampo può richiedere la
sovrapposizione di più strati di preimpregnato. Il
preriscaldamento della carica mediante elementi
riscaldanti a circolazione di aria o IR prima del
posizionamento in stampo consente di ridurre il tempo di
formatura e indurimento in pressa.
Nel BMC fibre corte (3 - 30 mm), resina, catalizzatori,
additivi, pigmenti ecc. sono mescolati a formare una
massa da stampaggio che, predosata, viene stampata in
pressa a caldo e a pressioni variabili da alcuni bar a
diverse centinaia di bar in funzione delle dimensioni e
della complessità del pezzo. I componenti prodotti per
BMC presentano generalmente proprietà meccaniche
inferiori a quelli ottenuti con SMC a causa delle inferiori
lunghezze di fibra e minore contenuto di rinforzo (10-20
% per BMC, 25-60% per SMC).
Figura 41.18 – Stampaggio per compressione.
Resina e fibre vengono solitamente premescolate in
forma di massa da stampaggio (BMC) o fogli
preimpregnati (SMC) in processi a parte.
Un tipico processo per la produzione di fogli
preimpregnati SMC è mostrato in Figura 41.19; Fibre
continue di vetro (roving) vengono tagliate in continuo
a lunghezza di 20-50 mm e raccolte tra due film di
supporto (carrier) su cui è depositato uno strato di
resina liquida (solitamente poliestere, ma anche
vinilesteri,
fenoliche,
epossidiche,
ecc.).
Il
preimpregnato, di spessore rilevante (fino a 6-7 mm)
tra i due film viene compattato e parzialmente
reticolato per aumentarne la viscosità e migliorare la
Oltre che per compressione, masse caricate con fibre corte
(BMC) possono essere stampate per iniezione in modo
simile ai termoplastici caricati (vedi Cap.29), con
opportuno adattamento del ciclo di stampaggio.
Una tecnica per ottenere componenti in matrici
termoindurenti non caricate è il reaction injection molding
(RIM); nel caso vengano impiegate resine rinforzate con
fibre la tecnica prende il nome di reinforced reaction
11
injection molding (RRIM) (Figura 41.20). Nel primo
caso un sistema di resina altamente reattivo,
solitamente a base poliuretanica, viene iniettato in
stampo chiuso immediatamente dopo la rapida
miscelazione dei (due) componenti reattivi. La
reazione di reticolazione avviene in pochi secondi
immediatamente dopo la miscelazione e durante
l’ingresso in stampo. La bassa viscosità dei
componenti, l’alta efficienza di mescolamento e la
rapida reazione consentono l’ottenimento di
componenti finiti, anche complessi in pochi secondi o
decine di secondi. Il componente principale del
processo è costituito dal miscelatore. I due fluidi
reattivi da miscelare sono tenuti in costante
circolazione per regolarne pressione e temperatura;
vengono quindi alimentati alla testa di miscelazione e
portati a contatto solo al momento dell’iniezione, che
può avvenire a pressioni limitate (pochi bar) in stampo
leggero.
Bibliografia
[1]
Brent Strong, A.,
“Plastics - Materials and Processing”
Prentice-Hall, 1996
[2]
Campbell F.C.
“Manufacturing Processes for Advanced Composites”
Elsevier, 2003
[3]
Campbell F.C.
“Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials”
Elsevier, 2006
Nella tecnica RRIM, simile a RIM, fibre di rinforzo
sono premescolate con uno dei due componenti
reattivi. Le fibre sono generalmente molto corte (<
1mm) per evitare un eccessivo aumento della viscosità
della miscela reagente.
La tecnica RIM può essere impiegata per ottenere
componenti strutturali (structural injection molding SRIM) iniettando resina reattiva in uno stampo dove
già è stato posizionato il sistema di rinforzo secco, in
modo simile a quanto avviene in RTM. A causa
dell’alta velocità di reazione della resina (solitamente
poliuretanica) SRIM consente la produzione di pezzi
di dimensioni inferiori a RTM, con minore contenuto
di rinforzo e maggiori porosità.
Figura 41.20 – Schema di RRIM.
12

CAPITOLO 41 TECNOLOGIE PER INFUSIONE: RTM, VARTM E RFI

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