Infuzní technologie výroby kompozitů a jejich simulace v MKP F. Martaus VZLÚ, a.s.
Přehled základních kompozitních výrobních technologií (dlouhé vlákno, termosetická matrice) • • • • • • •
Mokrá kontaktní laminace Autoklávové lisování prepregů Navíjení Pultruzní tažení RTM (Resin Transfer Moulding) Infuzní VARTM (Vacuum Assisted RTM) technologie RFI (Resin Film Infusion)
Metoda RTM 1. Vrstvení suché výztuže (s použitím spojovacích prostředků na bázi tavných lepidel, lepivých sítěk, poprašků…)
Metoda RTM 2. Polotovar z navrstvené suché výztuže
Metoda RTM 3. Proces RTM (= infuze tekutého epoxy pojiva do výztuže polotovaru uzavřeného v tuhé formě typu matrice/patrice. Proces je řízen tlakovým spádem – kombinace přetlaku na vstupu a podtlaku na výstupu z formy)
Metoda RTM 4. Výrobek
Metoda VARTM 1. Vrstvení suché výztuže (s použitím spojovacích prostředků na bázi tavných lepidel, lepivých sítěk, poprašků…)
Metoda VARTM 2. Uložení technologických vrstev (strhávací vrstva, distribuční síťka, rozvodný systém pojiva, pružná vakuová membrána)
Metoda VARTM 3. Proces VARTM (= infuze tekutého epoxy pojiva do výztuže uzavřené mezi formou a pružnou vakuovou membránou. Proces je řízen tlakovým spádem – pouze podtlakem na výstupu z formy)
Metoda VARTM 4. Výrobek
Jednosměrný vakuový ventil Plastické těsnění membrány
Vakuová membrána
Metoda RFI
1. Střídavé vrstvení suché výztuže a epoxy pojiva ve formě folie Pojivo ve formě folie
Stanovení plošné hmotnosti pojivové folie ze vztahu: Kde: mR plošná hmotnost jedné vrstvy folie ρR hustota materiálu folie (epoxid 1,2 g/m3) mF plošná hmotnost jedné vrstvy výztužné tkaniny ρF hustota materiálu vlákna tkaniny tF tloušťka jedné vrstvy tkaniny
Suchá tkaninová výztuž
mF m R = ρ R t F − ρF
Metoda RFI 2. Uložení technologických vrstev (strhávací vrstva, perforovaná folie, vrstva pro rozvod vakua, pružná vakuová membrána)
Metoda RFI 3. Zavedení vakua pod membránu a ohřev na vytvrzovací teplotu – dojde k roztavení foliového pojiva a jeho infuzi do suchých výztužných vrstev (pohyb pojiva kolmo vůči ploše výztuže)
Metoda RFI 4. Výrobek
Modelování infuzních výrobních procesů v MKP • Modelování toku pojiva ve formě → definování optimální polohy vtokového a výtokového systému formy (+ rozložení tlakového pole ve formě, předvidání exotermní reakce, rychlost šíření pojiva…)
a) Metoda pokus vs. omyl = vysoké náklady na přípravu výroby (drahé úpravy drahých forem) b) Simulace v MKP = návrh formy najisto = efektivní postup
Princip modelování v MKP Darcyho zákon: nejčastěji používaný teoretický podklad pro simulaci infuzních procesů
Q K ∆p * = A η L Klíčové proměnné technologické parametry: •Tlakový gradient ∆p •Viskozita pojivového systému ŋ •Permeabilita výztuže K *pohyb ropy v porézních horninách
Obecné schéma SW pro simulaci výroby kompozitů infuzními procesy v MKP geometrie dílu
•import z Auto-Cad nebo import sítě z jiné aplikace MKP (.dtf, .unv, .dxf, .msh, .pi7…) •vytvoření modelu vlastním geometrickým editorem
parametry výztuže •tloušťka •porosita resp. vf •permeabilita
parametry distribučního systému •průřez •permeabilita
parametry pojiva
•viskozita •měrná hmotnost •závislost viskozita-čas •závislost viskozitateplota •vliv gravitace
vstupní data
Simulační SW
poloha čelní vlny pojiva jako funkce času
rozložení tlaku v pracovním prostoru přípravku jako funkce času
okamžitá rychlost pohybu pojiva
faktor zaplnění výstupní data
Nutnost experimentálního stanovení permeability výztuže ηL t =C φK∆P 2
Permeabilita
K
Komerčně dostupné aplikace • PAM – RTM (ESI Group, Francie) • RTM – Worx (Polyworx, Nizozemsko, p. Koorevaar) • LIMS – UI (univ. Delaware, USA, prof. Šimáček)
Ukázky simulací infuzních procesů
Gondola větrné elektrárny (aplikace RTM-Worx, proces VARTM)
Ukázky simulací infuzních procesů
Optimální poloha výstupního ventilu formy
Predikce vzniku vady vrtulového listu UL letounu (aplikace PAM – RTM, proces RTM)
Ukázky simulací infuzních procesů
Simulace RTM plnění vrtulového listu UL letadla v aplikaci PAM-RTM
Ukázky simulací infuzních procesů Optimální poloha výstupního ventilu přípravku
Výroba kompozitní formy (aplikace RTM-Worx, proces VARTM)
Ukázky simulací infuzních procesů Simulace plnění lopatky ventilátoru aerodynamického tunelu fy AUDI (aplikace PAM-RTM, proces RTM)
Ukázky simulací infuzních procesů Výroba poloviny trupu UL letadla (aplikace RTM-Worx, proces VARTM)
Distribuční systém paralelně s osou trupu
Pravděpodobná oblast vzniku vady
Ukázky simulací infuzních procesů
Distribuční systém kolmo na osu trupu („rybí kostra“)
Výroba poloviny trupu UL letadla (aplikace RTM-Worx, proces VARTM)
Ukázky simulací infuzních procesů
Děkuji za pozornost
