ITDP20060008A1

ITDP20060008A1 - new method for the production of structural and non-structural components in composite

Info

Publication number: ITDP20060008A1
Authority: IT
Inventors: Giorgio Barbieri
Original assignee: Macotech Srl
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-11-27

Description

DP 2006 A 00 08 DP 2006 A 00 08

Descrizione dell’invenzione Industriale avente per titolo: Description of the Industrial Invention entitled:

NUOVO METODO PER LA PRODUZIONE DI COMPONENTI STRUTTURALI E NON STRUTTURALI IN COMPOSITO. NEW METHOD FOR THE PRODUCTION OF STRUCTURAL AND NON STRUCTURAL COMPONENTS IN COMPOSITE.

A nome della Ditta Macotech srl, di nazionalità Italiana, con sede in Matera Via Montescaglioso, 20. On behalf of the company Macotech srl, of Italian nationality, based in Matera Via Montescaglioso, 20.

Riassunto Summary

Oggetto dell’invenzione è una tecnologia di produzione di compositi strutturali con un sistema a pressione isostatico denominata per brevità ASM nel seguito. The subject of the invention is a technology for the production of structural composites with an isostatic pressure system called for brevity ASM in the following.

La tecnologia ASM parte dalla considerazione che per ottenere dei manufatti con alte prestazioni è necessario che la cura del componente sia effettuata con dei cicli di temperatura e pressione prestabiliti dal produttore del materiale. In generale per le migliori prestazioni si hanno dei cicli di temperatura che raggiungono il massimo a oltre 100°C, mentre la pressione sul manufatto deve essere uniformemente distribuita e di regola va da 2 a 6 atm. Attualmente la tecnologia di riferimento è quella dell’autoclave che risulta però essere estremamente costosa, sia come investimento iniziale che come costo di utilizzo. ASM technology starts from the consideration that in order to obtain products with high performance it is necessary that the care of the component is carried out with temperature and pressure cycles pre-established by the material manufacturer. In general, for the best performance there are temperature cycles that reach the maximum at over 100 ° C, while the pressure on the product must be uniformly distributed and as a rule goes from 2 to 6 atm. Currently, the reference technology is that of the autoclave which, however, is extremely expensive, both as an initial investment and as a cost of use.

Il principio di funzionamento dell’ ASM permette di riprodurre in “piccolo” il processo d’autoclave. The operating principle of the ASM allows you to reproduce the autoclave process in a "small" way.

Descrizione Description

Attualmente il settore dei materiali compositi strutturali a matrice polimerica e rinforzo fibroso è costellato da una moltitudine di processi per la realizzazione di componenti per il settore aerospaziale, automobilistico, nautico e ferroviario. Currently the sector of structural composite materials with polymeric matrix and fibrous reinforcement is studded with a multitude of processes for the production of components for the aerospace, automotive, nautical and railway sectors.

La tecnologìa di produzione che permette di ottenere dei risultati migliori dal p vista delle performance strutturali è di sicuro quella dell’autoclave. In questa tec The production technology that allows for better results in terms of structural performance is certainly that of the autoclave. In this tec

il materiale composito sotto forma di prepreg o di fibre secche impregnate con the composite material in the form of prepreg or dry fibers impregnated with

liquida sono posti su di uno stampo e ricoperti con vari strati di materiale divi liquid are placed on a mold and covered with various layers of divi material

diverse funzioni e infine da un sacco che separa ermeticamente il co 92 dall’ambiente esterno. In questa sacca viene realizzato il vuoto in modo che il sacco spinga il composito stratificato sullo stampo. Inoltre lo stampo così preparato viene posto in autoclave dove si segue un ciclo di pressione e temperatura descritti dal produttore di materiale. Questo tipo di stampaggio offre sicuramente delle ottime prestazioni ma di contro prevede grossi investimenti iniziali e costi di utilizzo molto ahi. Inohre i cicli di cura non possono essere calibrati sul singolo pezzo in produzione ma normalmente si deve accettare un compromesso tra i cicli richiesti dai materiali che vengono curati contemporaneamente in una singola infornata. different functions and finally by a bag that hermetically separates the co 92 from the external environment. The vacuum is created in this pouch so that the pouch pushes the layered composite onto the mold. Furthermore, the mold thus prepared is placed in an autoclave where a pressure and temperature cycle described by the material manufacturer is followed. This type of molding certainly offers excellent performance but on the other hand requires large initial investments and very ouch costs of use. In addition the curing cycles cannot be calibrated on the single piece in production but normally a compromise must be accepted between the cycles required by the materials that are cured at the same time in a single batch.

L’invenzione in oggetto riguarda una nuova tecnologia di stampaggio di componenti in composito strutturale per utilizzo nel settore aerospaziale, navale, ferroviario ed automobilistico. I materiali compositi utilizzabili con questa tecnologia sono tutti i materiali costituiti da una matrice polimerica termoindurente e fibre di rinforzo di qualsiasi tipo. The invention in question concerns a new molding technology of structural composite components for use in the aerospace, naval, railway and automotive sectors. The composite materials that can be used with this technology are all materials consisting of a thermosetting polymer matrix and reinforcing fibers of any type.

Tale tecnologia si basa sul principio che un fluido (aria nel caso dell’autoclave) in pressione trasferisce la forza uniformemente su tutta la superficie esposta. Lo stampo con il materiale deposto (rinforzo e matrice) nelle sue varie forme è posto all’interno di un “contenitore”, il quale ha lo scopo di sorreggere strutturalmente lo stampo e avere i sistemi di riscaldamento e di rilevazione della temperatura e un attacco per Γ impianto di vuoto. Il porta stampo e lo stampo costituiscono una vasca la quale è poi chiusa ermeticamente con un coperchio. Il coperchio di chiusura è dotato di una membrana elastica e di prese per aria ad alta pressione, manometro e sistemi di chiusura. La membrana viene spinta verso lo stampo con l’azione della pressione dell’aria iniettata nell’ intercapedine tra coperchio e membrana, la quale si adagia su tutta la superficie del manufatto. La pressione può anche essere fornita da aria, olio o acqua. La temperatura è invece fornita in due modi alternativi: o riscaldando il fluido in pressione oppure riscaldando il “contenitore”. This technology is based on the principle that a fluid (air in the case of the autoclave) under pressure transfers the force uniformly over the entire exposed surface. The mold with the deposited material (reinforcement and matrix) in its various forms is placed inside a "container", which has the purpose of structurally supporting the mold and having the heating and temperature detection systems and an attack for Γ vacuum system. The mold holder and the mold form a tank which is then hermetically sealed with a lid. The closing lid is equipped with an elastic membrane and high pressure air intakes, pressure gauge and closing systems. The membrane is pushed towards the mold with the action of the pressure of the air injected into the gap between the lid and the membrane, which rests on the entire surface of the product. Pressure can also be supplied by air, oil or water. The temperature is instead provided in two alternative ways: either by heating the fluid under pressure or by heating the "container".

Prima di schiacciare la membrana sul materiale deposto nello stampo, si può preventivamente applicare il vuoto nella regione, tra la membrana e lo stampo, dove è il materiale da curare. In questa maniera si ottiene un prodotto che ha prestazioni più alte e si evitano i rischi che si formino delle inclusioni di aria nella matrice curata. Before squeezing the membrane on the material deposited in the mold, a vacuum can be applied in advance in the region, between the membrane and the mold, where the material to be cured is. In this way, a product with higher performance is obtained and the risks of air inclusions forming in the cured matrix are avoided.

Lo schema riportato nella figura 1 illustra quanto descritto. The diagram shown in figure 1 illustrates what has been described.

Tutto l’impianto nel suo insieme è descritto schematicamente in figura 2. The whole system as a whole is described schematically in figure 2.

Di seguito sono riportate le descrizioni di ciascun componente del sistema. Descriptions of each component of the system are given below.

■ Porta stampo: il porta stampo ha essenzialmente la forma di una scatola. La sua funzione è di contenere lo stampo. Ha una forma molto semplice in modo da poter accogliere al suo interno stampi con differenti geometrie del pezzo da produrre ma con le stesse dimensioni esterne. Il porta stampo è realizzato in materiale metallico per aumentare la durata e per le prestazioni meccaniche richieste. Poiché durante la cura del materiale polimerico la differenza di pressione tra le pareti interne e quelle esterne può arrivare a diverse atmosfere, la sua struttura deve essere tale da reggere senza deformazioni sensibili il carico derivante. ■ Mold holder: The mold holder is essentially in the shape of a box. Its function is to contain the mold. It has a very simple shape so that it can accommodate molds with different geometries of the piece to be produced but with the same external dimensions. The mold holder is made of metal material to increase the duration and for the required mechanical performance. Since during the curing of the polymeric material the pressure difference between the internal and external walls can reach different atmospheres, its structure must be such as to withstand the resulting load without significant deformations.

Il porta stampo ha inoltre un sistema di riscaldamento realizzato tramite delle candelette a resistenza alloggiate su dei fòri appositamente realizzati sul fondo del porta stampo. Il sistema di riscaldamento riesce a realizzare il profilo di temperatura voluto durante tutto il ciclo di cura. The mold holder also has a heating system made by means of resistance glow plugs housed in holes specially made on the bottom of the mold holder. The heating system manages to achieve the desired temperature profile throughout the cure cycle.

Il porta stampo ha un collegamento al sistema di vuoto in modo da eliminare l’aria all’interno dello spazio in cui è deposto il laminato. The mold holder has a connection to the vacuum system in order to eliminate the air inside the space where the laminate is placed.

Il porta stampo è dotato di un sistema di chiusura che assicura una chiusura ermetica con il coperchio. Tale sistema è realizzato mediante dei fori passanti sul bordo del porta stampo. The mold holder is equipped with a closing system that ensures a hermetic closure with the lid. This system is made by means of through holes on the edge of the mold holder.

In figura 3 è riportato un disegno del porta stampo. Figure 3 shows a drawing of the mold holder.

• Stampo: Lo stampo è realizzato in composito e ha una forma esterna tale da potersi alloggiare all’ interno del porta stampo. Nella parte superiore è sagomato in funzione del pezzo da produrre. Su di esso sono stratificati i materiali da curare • Mold: The mold is made of composite and has an external shape such that it can be housed inside the mold holder. In the upper part it is shaped according to the piece to be produced. The materials to be treated are layered on it

Si può prevedere di realizzare porta stampo e stampo in un unico pezzo qualora si richieda la produzione di un elevato numero di esemplari. In questo modo il porta stampo non avrà il fondo piatto ma sarà sagomato direttamente come la geometria del pezzo in produzione. It is possible to provide the mold holder and mold in a single piece if the production of a large number of specimens is required. In this way the mold holder will not have a flat bottom but will be shaped directly like the geometry of the piece being produced.

• Coperchio: il coperchio ha la funzione di chiudere ermeticamente il porta stampo mediante un sistema di bullonatura. È realizzato nello stesso materiale metallico del porta stampo. Sul coperchio è montata la membrana siliconica. Un foro di adduzione di un fluido (aria o olio) è posto sulla parte superiore del coperchio e permette di insufflare il fluido neU’intercapedine tra il coperchio e la membrana, la quale, gonfiandosi, va a spingere sul laminato posto sullo stampo sottostante. Il coperchio è dotato di un manometro per la rilevazione della pressione all’interno della camera. • Lid: the lid has the function of hermetically closing the mold holder by means of a bolting system. It is made of the same metal material as the mold holder. The silicone membrane is mounted on the lid. A fluid supply hole (air or oil) is placed on the upper part of the lid and allows the fluid to be blown into the interspace between the lid and the membrane, which, by swelling, pushes on the laminate placed on the underlying mold. The lid is equipped with a pressure gauge for detecting the pressure inside the chamber.

• Sistema di vuoto e sistema di pressione: il sistema di vuoto è costituito da una pompa da vuoto, mentre il sistema di pressione è costituito da un compressore di aria o da una pompa idraulica. Le connessioni tra questi sistemi e il complesso dello stampo sono realizzate tramite dei normali tubi da vuoto e da pressione. ocesso di realizzazione di un pezzo in composito è descritto nei seguenti punti: • preparazione dello stampo: pulitura e applicazione del distaccante sullo stampo; • preparazione della preforma: con questa tecnica si possono utilizzare sia fibre secche e resina liquida, sia prepreg, consistenti in tessuti o unidirezionali di fibre lunghe già impregnati della giusta quantità di resina. Si stratifica il materiale sullo stampo secondo le indicazioni. Si copre il materiale stratificato e da curare con un foglio di materiale distaccante: si può anche utilizzare del tessuto per assorbire la resina in eccesso. • Vacuum system and pressure system: the vacuum system consists of a vacuum pump, while the pressure system consists of an air compressor or a hydraulic pump. The connections between these systems and the mold complex are made through normal vacuum and pressure tubes. The process of making a composite piece is described in the following points: • preparation of the mold: cleaning and application of the release agent on the mold; • preparation of the preform: with this technique it is possible to use both dry fibers and liquid resin, and prepreg, consisting of fabrics or unidirectional of long fibers already impregnated with the right amount of resin. The material is layered on the mold according to the indications. The layered material to be cured is covered with a sheet of release material: you can also use fabric to absorb the excess resin.

• Inserimento dello stampo: si inserisce lo stampo con il materiale stratificato nel porta stampo. Qualora si utilizza uno stampo e porta stampo in un unico pezzo questa fase è saltata. • Inserting the mold: the mold with the layered material is inserted into the mold holder. If you use a mold and mold holder in one piece, this step is skipped.

• Chiusura del sistema: si alloggia il coperchio sul porta stampo e si serra il sistema di chiusura. La chiusura è ermetica in modo da garantire la possibilità di creare il vuoto nella cavità tra la membrana e lo stampo dove si trova il laminato da curare. La tenuta è garantita da una guarnizione sul bordo esterno del coperchio. • Closing the system: the lid is placed on the mold holder and the closing system is tightened. The closure is hermetic in order to guarantee the possibility of creating a vacuum in the cavity between the membrane and the mold where the laminate to be cured is located. The seal is guaranteed by a gasket on the outer edge of the cover.

Vuoto: il vuoto è applicato al porta stampo in modo da eliminare l’aria presente nella cavità dove risiede il materiale da curare. Vacuum: the vacuum is applied to the mold holder in order to eliminate the air present in the cavity where the material to be treated resides.

• Ciclo di cura: si aumenta la pressione nella membrana in modo che inizi a prendere la forma dello stampo e a schiacciare il laminato contro lo stampo. Contemporaneamente si aumenta la temperatura tramite il riscaldamento delle candelette elettriche in modo da seguire il ciclo di cura previsto dal fornitore del materiale. In questo modo si riescono a riprodurre le stesse condizioni presenti in autoclave e il prodotto finale avrà le stesse caratteristiche. Piccole differenze sulla distribuzione di pressione si hanno in presenza di curvatura dove la pressione aumenta per le zone convesse e diminuisce per quelle concave. Tali variazioni dipendono da geometria, membrana, temperatura e pressione e sono in genere limitate. • Curing cycle: the pressure in the membrane is increased so that it begins to take the shape of the mold and press the laminate against the mold. At the same time, the temperature is increased by heating the electric glow plugs in order to follow the care cycle provided by the supplier of the material. In this way it is possible to reproduce the same conditions present in the autoclave and the final product will have the same characteristics. Small differences in pressure distribution occur in the presence of curvature where the pressure increases for the convex areas and decreases for the concave ones. These variations depend on geometry, membrane, temperature and pressure and are generally limited.

• Si raffredda il sistema e si toglie la pressione alla membrana, quindi si apre lo stampo e si estrae il pezzo. • The system is cooled and pressure is removed from the membrane, then the mold is opened and the piece is extracted.

• Lo stampo viene pulito e preparato • The mold is cleaned and prepared

Claims

DP 2 0 0 8 A 00 0 8 Claims: This technology achieves the cure of thermosetting polymeric composite materials with fibrous reinforcement of any kind. The pressure on the laminate is given by the action of a membrane placed under pressure. The cure is carried out following the selected temperature profile through the use of electric resistances. Matera,