VRTM Vacuum Resine Transfer Molding
Controllare le proprietà reologiche, attraverso una simulazione avanzata non-isotermica, per un processo VRTM
Vacuum Resin Transfer Molding (VARTM) è una pratica che si sta diffondendo velocemente, in particolare nel settore della produzione di pale eoliche per il rapporto costo/efficacia.
Il processo VARTM prevede l'uso del vuoto per facilitare il flusso di resina su una “stuoia” in fibra utilizzando uno stampo di struttura particolare, chiuso da un lato, sfruttando la differenza differenza di pressione la parete inferiore interna dello stampo e l’esterno (pressione atmosferica).
Il processo permette di creare oggetti in materiale composito con una presenza di fibra intorno al 60% o anche di più, rendendo VRTM un processo altamente efficiente che può essere utilizzato per la fabbricazione di prodotti di alta qualità (…non solo in campo energetico, ma anche navale, aeronautico e per grandi strutture).
A causa di un ciclo di stampaggio più lungo, bassa viscosità e resine reattive relativamente lente il VRTM permette di garantire un riempimento adeguato durante la fase di flusso, senza doversi preoccupare del fenomeno di pre-stabilizzazione del materiale (pre-curing) , in cui la viscosità della resina verrebbe influenzata dalla temperatura, quindi con un valore di stress basso e il tasso di polimerizzazione minimale.
Il tasso di polimerizzazione continua a salire nel il tempo dal punto in cui la viscosità sia sufficientemente alta per la fase poi di estrazione, dove la resina può essere considerata come completamente fissata.
Un’estrazione del pezzo precoce, ovvero prima della completa stabilizzazione, (End Of Curing), creerebbe problemi di deformazione non attesa nel manufatto .
Per non incorrere in questo problema, gli ingegneri devono comprendere appieno la reazione di polimerizzazione e le proprietà reologiche della resina attraverso un test di caratterizzazione dei materiali attento, e quindi utilizzare la capacità di analisi non-isotermica di Moldex3D, tecnologia di simulazione 3D in grado prevedere come le diverse resine termoindurenti potrebbero influenzare il processo VARTM .
Quello che segue è un caso della copertura esterna di una pala di turbina eolica in fibra di carbonio. Utilizzeremo una simulazione in grado di valutare l’aspetto non-isotermico del processo, vera tecnologia di simulazione 3D di Moldex3D per indagare come i diversi materiali in resina, possono impattare il riempimento e il comportamento in fase di polimerizzazione.
Innanzitutto,i nostri laboratori sono in grado di effettuare un test di caratterizzazione materiale approfondito, per ottenere i corretti comportamenti in fase di stabilizzazione e e valide proprietà reologiche della resina A & B.
Vengono studiati I cambiamenti delle caratteristiche dovuti “stagionatura” ei comportamenti di viscosità della resina A & B a 25 ℃ e 75 ℃ entro un lasso di tempo 4 ore. I risultati di caratterizzazione dei materiali vengono poi confrontati con quelli ottenuti in Moldex3D e sulla base delle osservazioni.
Figura. 1 I tassi di polimerizzazione di resina A e B AT25 ℃ e 75 ℃
Possiamo dire che questi due risultati entrambi mostrano le tendenze simili. Cioè, il tasso di polimerizzazione e la viscosità della resina B sono entrambi inferiori a quelli della resina A , per lo stesso tempo di reazione(Fig. 1 e Fig. 2).
Figura. 2 La viscosità della resina A e B a 25 ℃ e 75 ℃
Il modello usato in questo caso è una pala eolica di 1 KW di uno stampo monolaterale.
Lo strato di fibre e il layout di progettazione sono mostrate in Fig. 3 e Fig. 4.
Figura. 3 La geometria del pezzo e il progetto per l’iniezione della resina
Quando il riempimento raggiunge 99,8%, inizia il processo di polimerizzazione. In questa fase, per accelerare il processo di polimerizzazione, la temperatura dello stampo viene elevata da 25 ℃ a 75 ℃ (Fig. 5) in modo che la resina può stabilizzarsi velocemente e la parte può essere estratta in un tempo inferiore.
Figura. 4 La distribuzione dei nodi sensori sulla copertura esterna di una pala eolica, per il controllo dei valori risultanti dalla simulazione
Figura. 5 Le impostazioni di temperatura dello stampo
La tabella mostra la velocità di vulcanizzazione, viscosità e tempo di polimerizzazione delle resine A e B nelle diverse fasi.
Come mostrato, la resina A ha una viscosità più elevata e un tempo di riempimento maggiore, ma il suo tempo di stabilizzazione è più breve. La Resina B riempie facilmente lo stampo mentre il suo tempo di stabilizzazione è più lungo.
Il tempo di ciclo totale delle resina A e B è rispettivamente di 2,5 ore e 2 ore.
Anche se il tempo di ciclo totale discosta solo del 20% totale, i risultati mostrano una variazione di comportamento significativa tra le due resine. Cioè, La Resina B offre più vantaggi rispetto alla Resina A dovuto alla sua bassa viscosità e l’abilità in fase di riempimento.
Quindi, possiamo concludere che è importante, se non essenziale, poter disporre di una caratterizzazione del materiale approfondita ed affidabile ed uno strumento di analisi e simulazione all’altezza come Moldex3D VRTM, per comprendere comportamenti, risultati e potenziali difetti o criticità, piuttosto che seguire la strada del prova-sbaglia-correggi (try&error).
in Tabella vediamo il tasso di stabilizzazione, la viscosità e il tempo di riempimento di resina A e B in diverse fasi
In generale, non è facile da controllare con precisione il tempo di indurimento nel processo reale. Specialmente quando la temperatura dello stampo aumenta, la reazione varia da un materiale all'altro; in tal modo, è estremamente difficile valutare le modifiche alle proprietà del materiale solo sulla base dell'esperienza degli ingegneri.
Per avere un migliore controllo del processo VARTM, possiamo utilizzare i dati materiali ottenuti dal Material Wizard di Moldex3D per comprendere ulteriormente le proprietà del materiale di resine diverse e quindi il suo comportamento elle varie fai.
Con l'aiuto di Moldex3D, possiamo meglio predire il comportamento del flusso della resina e il livello di stabilizzazione, al fine di scoprire i corretti parametri di temperatura e di lavorazione dello stampo per massimizzare i vantaggi di utilizzare il processo VARTM evitando errori e criticità.