IT202000011323A1

IT202000011323A1 - Processo produttivo in autoclave

Info

Publication number: IT202000011323A1
Application number: IT102020000011323A
Authority: IT
Inventors: Luigi Nele
Original assignee: Luigi Nele
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2021-11-19

Description

PROCESSO PRODUTTIVO IN AUTOCLAVE

DESCRIZIONE

Stato della tecnica

Le strutture, come ad esempio quelle aeronautiche, sono costituite di numerosi componenti, spesso in materiale composito fibroso, comunemente ottenuti impregnando strati di fibre con resine polimeriche. Nel caso di resine termoindurenti, un processo di cura con cicli di temperatura e pressione definiti ? necessario per ottenere componenti di elevate propriet? meccaniche. Una delle tecnologie pi? avanzate per produrre componenti in materiale composito fibroso ? la tecnologia del sacco a vuoto in autoclave, che consente di effettuare la fabbricazione in condizioni di temperatura e pressione altamente controllate. Per queste applicazioni, l?autoclave ? un contenitore chiuso in cui si possono mantenere pressioni dell?ordine di 7-10 atm e temperature fino a 500 ?C e oltre a seconda della tipologia di matrice.

I cicli di temperatura e pressione di autoclave a cui sono sottoposti i componenti da lavorare determinano la qualit? del prodotto finito. Pertanto, una volta che tali cicli di temperatura e pressione siano stati definiti, ? necessario assicurarsi che i parametri di ciclo, come ad esempio le massime velocit? di riscaldamento e raffreddamento ed il tempo di permanenza ad una temperatura fissata, siano rispettati durante il processo di cura in autoclave. Tuttavia, per motivi legati ad esigenze di produzione e consegna, componenti che differiscono tra loro per caratteristiche termiche o geometriche sono spesso processati contemporaneamente in autoclave. In questo caso, i componenti da curare sono raggruppati in base alle loro specifiche di cura (i.e. componenti che hanno la stessa temperatura di cura) senza di fatto considerare parametri quali la forma, le dimensioni ed il materiale dei componenti e dei relativi ancillari e stampi. La durata totale di un ciclo di autoclave ? condizionata dalle caratteristiche del componente con le pi? basse velocit? di riscaldamento e raffreddamento, il che determina tempi di cura lunghi e non ottimizzati che influiscono negativamente sulla produttivit? e sull?efficienza energetica del processo. Pertanto, si rende necessario fornire un metodo alternativo per determinare la posizione ottimale dei componenti da introdurre in autoclave. Il concetto di posizionamento ottimale dei componenti sul piano di autoclave ? stato precedentemente introdotto (US6240333B1); tuttavia, questo brevetto si limita esclusivamente a fornire informazioni di carattere generico su tale ottimizzazione, basata su prestazioni termiche dei componenti non meglio definite e sulla fluidodinamica in autoclave.

Inoltre, nella maggior parte dei casi, il riscaldamento dell?ambiente autoclave viene effettuato facendo circolare una corrente di gas, tipicamente aria, portata alla temperatura desiderata mediante scambio termico in appositi scambiatori alimentati con olio diatermico riscaldato, ad esempio, da una caldaia a gasolio. Tuttavia, tale metodo comporta spesso un riscaldamento non omogeneo dei componenti introdotti dovuto principalmente a disuniformit? del flusso di calore del gas circolante.

Sono stati proposti approcci alternativi basati sull?utilizzo di sorgenti di microonde (e.g. US2007108194A1) o di radiazione infrarossa (e.g. CN2803507Y o CN103057013A) per il riscaldamento dell?ambiente autoclave. Tuttavia, in tali esempi non ? possibile regolare individualmente nel tempo le sorgenti di microonde o radiazione infrarossa, cosa che impedisce di conseguire un riscaldamento selettivo dei componenti nell?ambiente autoclave.

Scopo della presente invenzione

La presente invenzione risolve il problema dell?ottimizzazione del processo di produzione in autoclave fornendo un metodo ed un sistema di controllo per l?ottimizzazione del processo di produzione in autoclave attraverso il posizionamento ottimale dei componenti da lavorare, il monitoraggio della temperatura di tali componenti ed il loro riscaldamento selettivo attraverso il controllo di elementi riscaldanti di autoclave. In questo modo, ? possibile ridurre la durata del ciclo di autoclave, con evidenti risparmi dal punto di vista economico ed energetico.

L?invenzione fornisce un metodo ed un sistema di controllo, laddove il metodo pu? comprendere le seguenti fasi:

i. acquisire le caratteristiche chimico-fisiche e geometriche di ogni componente da introdurre in autoclave;

ii. calcolare un parametro di merito per ogni componente;

iii. implementare un algoritmo di ottimizzazione che utilizza i parametri di merito calcolati per ottenere la disposizione ottimale dei componenti in autoclave tenendo conto di specifici vincoli.

L?invenzione fornisce un metodo ed un sistema di controllo, laddove il sistema di controllo svolge le seguenti funzioni:

iv. acquisire con opportuna frequenza dati sulla temperatura dei componenti in autoclave in funzione del tempo;

v. elaborare i dati raccolti sulla temperatura dei componenti in autoclave e determinare le velocit? di riscaldamento;

vi. individuare i componenti che si riscaldano pi? lentamente;

vii. attivare e regolare gli elementi riscaldanti in modo da effettuare il riscaldamento selettivo dei componenti di interesse.

Descrizione delle figure

Un modo di attuare l?invenzione descritta ? illustrato, a puro titolo esemplificativo, nelle due figure allegate, in cui:

In Figura 1 ? rappresentato lo schema di un processo per il posizionamento ottimale della carica in autoclave per un esempio di applicazione in cui non sono evidenziati i cicli.

In Figura 2 ? rappresentato lo schema di un processo di riscaldamento selettivo in autoclave per un esempio di applicazione in cui non sono evidenziati i cicli.

Descrizione dettagliata di una preferita forma di realizzazione

In Figura 1 si illustra lo schema di un processo per il posizionamento ottimale dei componenti da introdurre in autoclave. Il processo consiste nell?acquisizione delle caratteristiche chimico-fisiche e geometriche dei particolari in materiale composito e dei relativi elementi ancillari e stampi da introdurre in autoclave, ad esempio a partire da un file di disegno CAD (101). Di seguito si intende per componente da introdurre in autoclave quello che comprende il particolare in materiale composito ed i relativi elementi ancillari e stampo. Viene quindi calcolato un parametro di merito per ogni componente da introdurre in autoclave a partire dalle caratteristiche chimico-fisiche e geometriche estratte, ad esempio, dal file di disegno CAD del componente (102) e si effettua un controllo per verificare che il parametro di merito sia stato calcolato per ogni componente (103). Si procede quindi all?implementazione di un algoritmo di ottimizzazione che utilizza i parametri di merito calcolati per determinare la disposizione ottimale degli stessi sul piano di carico dell?autoclave tenendo conto di vincoli predeterminati (104). Viene effettuato un controllo sul rispetto dei vincoli per la determinazione della disposizione ottimale dei componenti in autoclave (105).

In Figura 2 si riporta lo schema di un processo per la variazione, ovvero correzione, del ciclo termico dei componenti in autoclave. Il processo inizia con l?acquisizione in funzione del tempo dei dati delle temperature dei componenti introdotti in autoclave (201), misurate mediante appositi sensori, ad esempio termocoppie, con frequenza opportuna. I dati raccolti sulle temperature vengono elaborati e vengono calcolate le velocit? di riscaldamento dei componenti (202); si individuano i componenti che necessitano di riscaldamento selettivo (203). Si effettua un controllo per verificare che esistono componenti che necessitano di riscaldamento selettivo (204); vengono quindi generate istruzioni operative per effettuare il riscaldamento selettivo (205). In base alle istruzioni operative generate per effettuare il riscaldamento selettivo uno o pi? elementi riscaldanti vengono attivati e regolati (206). I dati sulle temperature dei componenti in autoclave vengono acquisiti in funzione del tempo (207) e successivamente elaborati per calcolare le velocit? di riscaldamento (208) con frequenza opportuna. Si effettua un controllo per verificare che i componenti sottoposti a riscaldamento selettivo abbiano raggiunto la temperatura, ovvero la velocit? di riscaldamento, desiderata come da specifiche di processo (209). Vengono quindi generate istruzioni operative per procedere alla regolazione, ovvero all?eventuale disattivazione degli elementi riscaldanti per il riscaldamento selettivo (210).

Coloro che sono esperti nella materia riconosceranno che la presente invenzione pu? essere realizzata in una variet? di applicazioni e che la descrizione su riportata ? per il solo scopo illustrativo e non rappresenta una limitazione delle rivendicazioni che seguono. Sar? inteso che variazioni delle applicazioni descritte possono essere fatte e rimangono entro gli scopi della presente invenzione. Cambiamenti che avvengono entro il significato e la gamma di rivendicazioni equivalenti si intendono compresi.

Claims

PROCESSO PRODUTTIVO IN AUTOCLAVE RIVENDICAZIONI 1 . Un metodo per determinare il posizionamento ottimale dei componenti da introdurre in autoclave, laddove ogni componente comprende il particolare in materiale composito ed i relativi elementi ancillari e stampo, e laddove il metodo comprende: ? acquisire le caratteristiche chimico-fisiche e geometriche di ogni componente; ? calcolare uno o pi? parametri di merito per ogni componente; ? implementare un algoritmo di ottimizzazione che utilizza i parametri di merito calcolati per ottenere la disposizione ottimale dei componenti in autoclave tenendo conto di specifici vincoli.
2. Il metodo del punto 1, laddove le caratteristiche chimico-fisiche e geometriche dei componenti da introdurre in autoclave possono essere misurate ed inserite in un opportuno schema dall?operatore, ovvero estratte dal file CAD del componente.
3. Il metodo del punto 1 , laddove il parametro di merito ?i per il componente i-esimo viene calcolato a partire dalle caratteristiche chimico-fisiche e geometriche del componente i-esimo mediante la seguente espressione:

dove Di ? la diffusivit? termica del componente i-esimo, Pi ? il peso del componente i-esimo, Ci ? una costante del componente i-esimo che pu? variare tra 0 e ?, Ai ? la superficie del componente i-esimo e Vi ? il volume del componente i-esimo.
4. Il metodo del punto 1, laddove il parametro di merito ?i per il componente i-esimo pu? essere ottenuto mediante tutte le operazioni aritmetiche, algebriche, e matematiche che combinano la diffusivit? termica del componente i-esimo Di, il peso del componente i-esimo Pi, la costante Ci del componente i-esimo, la superficie del componente i-esimo Ai ed il volume del componente iesimo Vi.
5. Il metodo del punto 1 ed il parametro dei punti 3 e 4, laddove la diffusivit? termica del componente i-esimo Di, il peso del componente i-esimo ?i, la superficie del componente i-esimo Ai ed il volume del componente i-esimo Vi sono calcolati mediante operazioni aritmetiche, algebriche, e matematiche che combinano la diffusivit? termica Di, il peso ?i, la superficie Ai ed il volume Vi del particolare i-esimo in materiale composito, degli elementi ancillari del componente i-esimo, e dello stampo del componente i-esimo.
6. Il metodo del punto 1 ed il parametro dei punti 3 e 4, laddove la diffusivit? termica del componente i-esimo Di, il peso del componente i-esimo ?i, la superficie del componente i-esimo Ai ed il volume del componente i-esimo Vi possono essere relativi a tutti gli elementi costituenti il componente ovvero ad alcuni di essi.
7. Il metodo del punto 1, laddove la determinazione della posizione ottimale del componente iesimo in base al valore del parametro M i ? soggetta a dei vincoli che comprendono: ? uno o pi? vincoli di altezza; ? uno o pi? vincoli di posizionamento relativi alla rotazione intorno all?asse verticale del componente; ? uno o pi? vincoli di non sovrapposizione.
8. Il metodo del punto 1, laddove un vincolo di altezza ? tale che sia rispettata l?altezza utile dell?autoclave.
9. Il metodo del punto 1, laddove un vincolo di altezza ? tale che:

dove ? i ? l?altezza del componente i-esimo, ? ip? ? l?altezza del componente successivo al componente i-esimo secondo un verso lungo l?asse longitudinale dell?autoclave e ? ? una costante che varia tra 0 e 1.
10. Il metodo del punto 1, laddove un vincolo di posizionamento relativo alla rotazione intorno all?asse verticale del componente ? tale che sia ottimizzata la sezione normale alla direzione del flusso del fluido.
11. Il metodo del punto 1, laddove un vincolo di non sovrapposizione ? tale che l?area proiettata del componente i-esimo sul piano di carico dell?autoclave non pu? sovrapporsi all?area proiettata di un qualsiasi altro componente sul piano di carico dell?autoclave.
12. Un sistema di controllo per effettuare il riscaldamento selettivo in autoclave di componenti, laddove il sistema di controllo svolge le seguenti funzioni: ? acquisizione, mediante sensori, in funzione del tempo, ed elaborazione dei dati sulla temperatura e la velocit? di riscaldamento dei componenti in autoclave per tutta la durata del ciclo di cura con opportuna frequenza; ? identificazione dei componenti che necessitano di riscaldamento selettivo sulla base dei dati raccolti ed elaborati sulle temperature e sulle velocit? di riscaldamento dei componenti e sulla base delle specifiche di processo dei componenti; ? generazione di istruzioni operative per effettuare il riscaldamento selettivo, laddove le istruzioni operative per l?effettuazione del riscaldamento selettivo tengono conto dei dati raccolti sulle temperature e sulle velocit? di riscaldamento dei componenti, delle specifiche di processo dei componenti e dei dati dei componenti adiacenti e comprendono le istruzioni per l?accensione, lo spegnimento e la regolazione degli elementi riscaldanti; ? attivazione o regolazione degli elementi riscaldanti per effettuare il riscaldamento selettivo dei componenti di interesse; ? confronto tra la temperatura e la velocit? di riscaldamento rilevate dei componenti e la temperatura e la velocit? di riscaldamento indicate dalle specifiche di processo, con opportuna frequenza; ? generazione di istruzioni operative per regolare o spegnere degli elementi riscaldanti per il riscaldamento selettivo.
13. Un metodo ed un sistema di controllo come qui descritti.