Analisi dell’influenza del capillary number sulla porosità nei materiali compositi realizzati per infusione

Transfer Moulding)

quale si fabbricano compositi a matrice polimerica attraverso l’iniezione di una resina

termoindurente all’interno di una cavità, avente la forma del particolare da realizzare,

in cui sia stata disposta precedentemente una preforma di fibre asciutta e tal cavità è

ottenuto chiudendo l’uno contro l’altro stampo e controstampo.

È necessario, per la buona realizzazione del processo, prevedere in fase iniziale il

serraggio ermetico dei due stampi in quanto esso comporta l’incremento della qualità

finale del prodotto riducendo eventuali porosità all’interno del manufatto, e ciò è

ottenuto grazie all’applicazione del vuoto all’interno dei due stampi.

Il ciclo di fabbricazione RTM si articola nelle seguenti fasi:

Pulitura dello stampo:

•

Rimozione dalle superfici interne dello stampo di sostanze che possono

compromettere la qualità e la buona riuscita della prova che stiamo andando ad

effettuare. Tale sostanze possono essere particelle di gel-coat o di resina reminiscenze

delle precedenti lavorazioni. Generalmente tale pulitura può limitarsi ad una

soffiatura con aria compressa o con solventi, anche se questi ultimi sono altamente

sconsigliati e da utilizzare solo in casi estremi.

Applicazione dell’agente distaccante:

•

L’Agente di rilascio è una sostanza che consente l’estrazione del pezzo dallo stampo

una volta ultimato il processo. La scelta di tale agente deve esser fatta tenendo conto

del tipo di resina utilizzata e della temperatura che si presenta tra gli stampi. 22

Applicazione del gel-coat:

•

Il gel-coat, che costituirà lo strato superficiale del prodotto finito, consente di

migliorare la finitura superficiale nonché conferisce alcune ulteriori proprietà come

resistenza alla corrosione e all’invecchiamento. Esso presenta, d’altro canto, lo

svantaggio di incrementare in maniera considerevole la durata del ciclo, in quanto,

prima che il processo di stampaggio possa continuare v’è necessità che il gel-coat abbia

raggiunto uno stato già avanzato di polimerizzazione in modo da non venire poi

alterato dalle successive operazioni del ciclo termico. Per ovviare a ciò si può pensare

di ricorrere ad un opportuno preriscaldamento degli stampi.

Posizionamento del rinforzo

•

Il rinforzo è costituito dalla sovrapposizione di strati (mat o tessuti) in fibra di vetro,

di carbonio o aramidica. Il rinforzo viene posizionato sulla superficie interne dello

stampo inferiore prestando attenzione al raggiungimento della massima uniformità

all’interno della cavità evitando ripiegamenti, raggrinzimenti, allungamento o

variazioni di spessore.

Chiusura e bloccaggio dello stampo

•

Il controstampo viene chiuso sullo stampo e bloccato attraverso morse, bulloni o altri

sistemi di serraggio con forza sufficiente a resistere alle pressioni che si sviluppano

nella cavità durante il processo.

Iniezione della resina

•

La miscela di impregnazione viene fatta fluire nella cavità tra stampo e controstampo

attraverso gli appositi fori di iniezione. Sotto l’effetto della pressione esercitata dal

sistema di pompaggio la resina impregna il rinforzo fibroso espellendo l’aria davanti

attraverso gli appositi fori d’uscita. Questa fase sarà agevolata, specialmente nei casi

in cui si usi un’elevata percentuale di fibre, dall’utilizzo di una pompa a vuoto che

aspiri l’aria dalla cavità attraverso i fori di uscita. 23

La quantità di resina da iniettare viene studiata preventivamente in quanto è

opportuno prevedere un’eccedenza di resina in modo da assicurare il completo

riempito della cavità. La quantità eccedente di resina da iniettare dipende dalla

complessità della forma del manufatto da realizzare nonché dalle dimensioni e dal

sistema di iniezione; normalmente essa è compresa tra il 5÷20%.

Polimerizzazione della resina

•

Il tempo di polimerizzazione della resina dipende dal tipo di miscela, dalla geometria

e dalla temperatura alla quale la resina viene iniettata.

Tale periodo corrisponde al tempo di permanenza del pezzo nello stampo, ed è

pertanto uno dei fattori critici che influenzano tempo di ciclo e di produzione.

Apertura dello stampo ed estrazione del pezzo

•

L’apertura dello stampo ed estrazione del pezzo viene orientativamente effettuata

quando sia trascorso, dal completamente dell’iniezione, un periodo pari ad almeno

quattro volte il tempo di polimerizzazione della miscela usata. L’estrazione può essere

effettuata mandando un getto d’aria nei fori o attraverso appositi attrezzi.

Operazioni di rifinitura

•

La principale operazione di finitura consiste nel tagliare i margini del pezzo

corrispondenti alla zona di contatto tra stampo e controstampo; tale operazione poi

potrà essere seguita da eventuali verniciature o da lavorazioni meccaniche di cui

necessitiamo. 24

2.6 Processo di VARTM

Il Vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) è una variante del tradizionale

processo RTM ed ha assunto negli ultimi anni un ruolo molto importante nella

produzione di compositi nei diversi settori già citati.

Il VARTM è sostanzialmente basato sull’impregnazione di un rinforzo secco di fibre

da parte di una resina liquida attraverso l’applicazione del vuoto e successiva cura

della preforma impregnata.

Di fondamentale importanza in questo processo risulta essere la strategia con cui

collochiamo i punti di iniezione e di aspirazione dipendenti dalla geometria e dalle

dimensioni del pezzo che si va a realizzare.

La resina viene iniettata attraverso una o più porte mentre, diversamente dai

tradizionali processi di RTM, v’è la presenza di un’ulteriore porta di aspirazione

collegata ad un recipiente che a sua volta è connesso alla pompa in pressione negativa

che permette l’ottenimento del vuoto all’interno della cavità. L’applicazione del vuoto

genera il gradiente di pressione determina il flusso della resina all’interno dello

stampo nonché assicura la compattazione della preforma permettendo l’ottenimento

di manufatti con una bassa concentrazione di porosità.

In tal processo è opportuno mantenere l’aspirazione per un periodo maggiore a quello

di iniezione della resina, in quanto, nel recipiente sopracitato verrà raccolta la resina

in eccesso già prevista in fase progettuale e ci sarà la riduzione di bolle d’aria e la

fuoriuscita di gas intrappolati.

I parametri essenziali da studiare per l’ottimizzazione di tal processo sono la

concentrazione massima di fibre, la relazione che si instaura con i livelli di vuoto e la

velocità con la quale il flusso di resina va ad impregnare le fibre. 25

Capitolo terzo

3.1 Difetti nei manufatti compositi

La svariata applicazione dei materiali compositi nei diversi campi porta alla necessità

di ottenere prodotti dalle sempre più elevate proprietà specifiche.

Il dilagare nei diversi campi richiede però differenti processi produttivi, poiché,

all’infuori del settore aerospaziale l’utilizzo dei materiali compositi risulta essere

sensibile al costo di produzione.

Il connubio che si viene così a generare tra l’aspetto economico e prestazionale porta

così alla realizzazione di pezzi di minor costo che ovviamente presenteranno dei difetti

indotti dai materiali e dai processi stessi.

Appare dunque evidente come la fase di progettazione dei materiali compositi sia di

estrema e delicata importanza.

Tra i difetti più comuni legati al processo produttivo possiamo annoverare:

Difetti puntuali della matrice: vuoti o punti troppo ricchi di resina.

• Difetti dovuti al flusso: race tracking, mancata impregnazione.

• Difetti dovuti alle fibre: rottura o disallineamento delle fibre.

•

L’analisi della formazione dei vuoti, oggetto di questo studio di tesi, si presenta come

tra i principali e maggiormente analizzati problemi in argomento di difetti nel campo

dei materiali compositi in quanto influenzano in maniera preponderante la struttura

di essi nonché le proprietà fisico-chimiche e termomeccaniche.

Prima di addentrarci ulteriormente nello studio di tali meccanismi è dovuto, ai fini

della corretta e completa comprensione, analizzare la miscela di impregnazione ed in

particolar modo il flusso di tale resina. 26

3.2 Flusso della resina

Innanzitutto la miscela di impregnazione, ovvero la resina catalizzata che sta andando

a permeare il tessuto fibroso, deve mantenersi allo stato liquido ed in condizioni di

minima viscosità il più a lungo possibile in modo da favorire il completo riempimento

prima di gelificare. La bassa viscosità della miscela è un parametro di vitale

importanza poiché esso favorisce non solo la completa penetrazione di ogni punto

dello stampo ma anche di arrecare il minimo disturbo alle fibre ed una migliore

impregnazione di esse.

Se da un lato v’è la possibilità di ridurre la viscosità con un aumento della temperatura,

tale operazioni ha un conseguente effetto di far gelificare in minor tempo la miscela;

appare quindi chiaro che un’attenta analisi dei cicli termici deve condurre ad un giusto

compromesso tra viscosità e temperatura.

I vari modelli di studio e monitoraggio della resina si basano in gran parte sulla legge

di Darcy, che descrive il flusso macroscopico di un fluido attraverso un mezzo poroso,

per prevedere il profilo del tempi di infiltrazione e le pressioni nella cavità.

flow-front,

La legge di Darcy può scriversi: ⃗=− ∙

Pur essendo una caratteristica del rinforzo fibroso la permeabilità (K) è in stretta

correlazione con la velocità di avanzamento del flusso con cui aumenta

proporzionalmente. Al fine di una completa e attenta bisogna effettuare una

osservazione a livello microscopico dove si possono analizzare le forze viscose e

capillari nonché la presenza di una impregnazione discontinua.

Quando il fluido invade le fibre, con una velocità maggiore di quelle caratterizzano

l’infiltrazione unicamente dovuta alle forze capillari, esso si muove nei pori più grandi

vedendo intrappolate però le bolle d’aria in quelli più piccoli. In tale istanza le forze

viscose, definite come prodotto tra viscosità e velocità, prevalgono sulle capillari

generando il fenomeno di formazione di Macro-vuoti. 27

Viceversa quando le velocità di avanzamento sono basse prevalgono le forze capillari

e i pori più stretti sono i primi a riempirsi intrappolando così le