41 TECNOLOGIE PER INFUSIONE: RTM, VARTM E RFI. TECNOLOGIE DEI PMC A FIBRA DISCONTINUA: SPRAY-UP, RIM, BMC, SMC

Transcript

1 CAPITOLO TECNOLOGIE PER INFUSIONE: RTM, VARTM E RFI. TECNOLOGIE DEI PMC A FIBRA DISCONTINUA: SPRAY-UP, RIM, BMC, SMC Sinossi e tecniche per infusione di resina liquida L 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 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. 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. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 1 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

2 Resin transfer molding (RTM) Tabella 41.1 Peculiarità dei principali processi di infusione di resina Vacuum assisted RTM (VaRTM) Resin film infusion (RFI) - 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) - 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. - 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 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 Figura 41.1 Fasi del processo RTM per la produzione di componenti in composito. Figura 41.2 Alcune tecniche di produzione di preforme. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 2 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

3 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 %. Figura 41.4 Preforme di travi ed elementi di irrigidimento in carbonio. 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 G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 3 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

4 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. 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 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 A K dp 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 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 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 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 G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 4 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

5 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. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 5 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

6 Figura 41.5 Schema di impianto RTM 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 41.6 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 Figura 41.7 Preforma e componente in carbonio epossidica prodotto con RTM (Lamiflex Group) Resin Film Infusion RFI l processo RFI è una variante di RTM sviluppata I 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 ) 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 G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 6 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

7 Figura 41.8 Schema del processo RFI Figura 41.9 Ciclo in autoclave per RFI resine in grado di mantenere una viscosità sufficientemente bassa ( 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). Varianti del processo prevedono l interposizione di strati di resina tra i tessuti o l impiego di resina liquida a bassa temperatura (RLI) RTM assistito da vuoto (VaRTM) l processo VaRTM utilizza il solo vuoto sia durante I 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. 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 Pannello alare integrale prodotto mediante RFI (NASA- Boeing) 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 Figura Schema di VaRTM 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 G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 7 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

8 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. Figura 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. Figura Variazione della distribuzione di pressione durante il riempimento. 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 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. 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 La simulazione dei processi RTM l fine di ottimizzare il percorso della resina e il A 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. 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. 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 G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 8 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

9 equazioni di bilancio di massa e trasferimento del calore, possono essere trascurati. 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). 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). 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. 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. Generalmente, per una modellazione numerica, è utile effettuare alcune semplificazioni che, per il processo considerato, si possono riassumere nei seguenti punti: 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 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. Figura Simulazione dell infusione di pala eolica. I diversi colori indicano i tempi di riempimento (PAM-RTM). Figura 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, G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 9 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

10 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) Processi di formatura di compositi per laminazione manuale, compressione e iniezione a laminazione manuale è una tecnica a bassa L 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. 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). 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 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 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. Il manufatto possiede normalmente la sola superficie a contatto con lo stampo esteticamente finita; la stesura Figura Pistola per laminazione spray. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 10 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

11 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. 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 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). 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. Figura Produzione di preimpregnati per SMC. Figura 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 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 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). 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 G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 11 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

12 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. 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. 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 Figura Schema di RRIM. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 12 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano