Anais do 13 Congresso Brasileiro de Polmeros Natal, RN 18 a 22 de outubro de 2015

MANUFATURA DE LAMINADOS COMPSITOS POR INFUSO A VCUO

DE RESINA LQUIDA ASSISTIDA POR MODELAGEM

COMPUTACIONAL Gustavo de Souza (IC) e Jos R. Tarpani *

Universidade de So Paulo USP, Campus de So Carlos SP * jrpan@sc.usp.br

Resumo: Laminados compsitos fibrosos so aplicados com sucesso em projetos estruturais em que elevadas propriedades mecnicas associadas a uma baixa densidade so fundamentais. Sua fabricao via tcnicas de infuso de

resina lquida engloba muitas variveis, tais como, o melhor ponto de infuso da resina no molde, o comportamento da

frente do fluxo de resina durante o seu preenchimento, e, principalmente, o tempo de preenchimento do molde.

Conhecer e controlar essas variveis adquirem fundamental importncia para a obteno do produto final com

propriedades otimizadas. O processo de modelagem computacional, quando representativo, possibilita a manufatura de

laminados compsitos fibrosos de boa qualidade sem depender exclusivamente da experincia prvia e da habilidade do

operador, alm de economizar tempo e recursos financeiros na sua execuo. O presente trabalho prope uma

abordagem computacional para a tcnica de infuso em molde flexvel utilizando-se metodologias experimentais e

numricas disponveis para processos empregando moldes rgidos.

Palavras-chave: Dinmica dos fluidos computacional, Infuso a vcuo de resina lquida, Laminado compsito

polimrico fibroso.

Computational modeling assisting liquid resin vacuum infusion for fiber-reinforced composite

laminate manufacture

Abstract: Fibrous composite laminates are successfully applied in structural projects where the association between

high mechanical properties and low specific gravity is a prime. Their manufacture based on liquid resin infusion

processes includes many variables such as the best resin infusion gate position in the mold, advancing resin leading

edge behavior during the mold filling process and mainly the filling time. Knowing and controlling these variables are

crucial to get composite laminates exhibiting optimal properties. Numerical modeling process, when representative,

allows the manufacturing of high quality laminates without relying exclusively on the operators experience and skill,

besides saving time, resources and consumables in the whole process. This paper proposes a computational approach to

Resin Infusion under Flexible Tooling technique using experimental and modeling methodologies originally tailored for

rigid mold processes, discussing the representativeness of the outlined adaptation.

Keywords: Computational fluid dynamics, Fibrous polymer composite laminate, Liquid resin vacuum infusion.

Introduo Processos avanados de manufatura de laminados fibrosos compsitos de matriz polimrica

termorrgida, dentre os quais se destaca o RIFT (Resin Infusion under Flexible Tooling Fig.1), so amplamente empregados na fabricao de componentes e estruturas aeronuticas primrias [1-3].

Para a realizao do presente trabalho, empregou-se RIFT em sua verso mais bsica (Basic RIFT

[4]), em que infuses da resina assistidas unicamente por aplicao de vcuo so realizadas tendo-se

exclusivamente as fibras de reforo como elemento permevel do sistema, sem o acrscimo da

chamada manta difusora cuja utilizao favorece substancialmente a distribuio da resina sobre as

camadas sobrepostas de mantas ou tecidos de fibras fortalecedoras (as quais constituem a pr-forma

de fibras secas), de forma a se determinarem propriedades fsicas intrnsecas das fibras e se

empregarem as mesmas na etapa de modelagem do processo Basic RIFT, de modo a se verificar a

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adequabilidade de metodologias experimentais e mtodos numricos dedicados a processos de

infuso concorrentes, tal como os empregando moldes rgidos e presses positivas de infuso da

resina.

O fluxo, nos processos de infuso de resina, modelado usualmente com base na Lei de Darcy em

que, o fluxo total (Q), dividido pela rea da seo transversal do fluxo (A) atravs de um meio

poroso, proporcional ao gradiente de presso (P) aplicado transversalmente ao comprimento do meio (L), sendo a constante de proporcionalidade dada pela permeabilidade do meio (K, fornecido em unidades de rea) dividida pela viscosidade do fluido (). Nestas circunstancias, a velocidade volumtrica mdia do fluido dada pela Eq.1:

(1)

O termo permeabilidade expressa fisicamente a facilidade com a qual o fluido escoa atravs do

reforo quando submetido a um gradiente de presso. Ela funo do tipo de fibra e da arquitetura

com que as mesmas so arranjadas (tramas), e deve, em princpio, ser independente das

propriedades da resina e de outras condies do processo. Alm disso, a permeabilidade um

parmetro fundamental que influencia o fluxo da resina, podendo alterar-se bastante com pequenas

mudanas no arranjo de empilhamento das camadas das fibras de reforo, sendo considerado,

portanto, o parmetro mais importante da infuso quando a modelagem posterior do processo

pretendida [5].

Figura 1. Representao esquemtica do mtodo RIFT de infuso de resina liquida em pr-forma de fibras

continuas de reforo [6].

A permeabilidade de um tecido biorientado (0/90) pode ser obtida experimentalmente por meio de

infuses realizadas em moldes rgidos atravs da Eq.2, uma derivao da lei de Darcy, onde Pi, e

so, respectivamente, a presso de entrada, a viscosidade do fluido utilizado e a porosidade do sistema fibroso, esta ltima podendo ser relacionada com a frao volumtrica de fibras de acordo

com a Eq.3 [5,7]. O coeficiente uma medida experimental extrada da relao entre a posio

da frente de resina, elevada ao quadrado, e o respectivo intervalo de tempo decorrido no

preenchimento do molde (conforme ilustra a Figura 2a).

(2)

(3)

A espessura do sistema, no caso do RIFT, no pr-determinada pela geometria do molde, mas

sim uma funo da presso do fludo que est entrando e, portanto, muda com o decorrer do tempo

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(conforme mostra a Figura 2b). Para uma modelagem realstica do processo de infuso a variao

da espessura em funo do tempo, o que, por consequncia direta torna permeabilidade e a

porosidade volumtrica tambm funes do tempo, deve ser computada. Tais consideraes

implicam em um desenvolvimento matemtico complexo [8] que foge ao escopo deste estudo.

Figura 2. (a) Relao entre a frente de fluxo de resina ao quadrado e o correspondente intervalo de tempo de

preenchimento do molde [7,9]; (b) Distribuio da espessura ao longo do molde [8].

O software LIMS (Liquid Injection Molding Simulation), empregado de maneira simples na

modelagem de processos de infuso em moldes rgidos foi utilizado no presente trabalho para a

modelagem do RIFT. Os parmetros de entrada para a realizao da modelagem em LIMS so a

viscosidade, que comum a toda malha e se mantem constante durante o processo de infuso, a

espessura da cavidade, que tambm se mantm constante no caso do molde ser rgido (lembrando

que a aplicao do LIMS originalmente dedicada aos processos de infuso empregando apenas

presses positivas), a porosidade volumtrica por onde a resina pode entremear, a permeabilidade

direcional (no caso mais simplificado de fluxo unidirecional, Kxx), a presso de injeo da resina, o

nmero e a localizao do(s) ponto(s) de entrada do fluido. Os parmetros de sada fornecidos pelo

LIMS so o acompanhamento da frente de fluxo no decorrer do tempo, o tempo total de infuso e a

queda de presso ao longo do comprimento do molde.

Materiais e Experimental As fibras utilizadas foram de vidro, arquitetura trama simples 1x1 (Referencia AF-0003 com

200g/m de densidade areal e 0,18 mm), fornecidas pelo fabricante Fibertex

sem revestimento, ou

seja, na forma crua. Utilizou-se a resina epxi de especificao LY 5052 com endurecedor Aradur 5052 na proporo de 100 / 51, sendo o working time e a viscosidade mdia de 135 minutos e 0,6

Pa.s, respectivamente, a 25C.

A determinao experimental da permeabilidade foi realizada tal como proposta por [5,8]. Foi

realizada uma infuso com orientao 0 de retirada de fibras com quatro camadas de espessuras e

dimenses de laminado de 300x100 mm e, antes da infuso, as fibras ficaram em estufa por perodo

de 24 horas a 100C visando homogeneiz-las quanto ao teor de umidade. As filmagens foram

realizadas seguindo o modelo proposto por [10], onde um suporte foi construdo para comportar a

cmera fixada numa altura adequada em relao ao molde superior flexvel.

O vdeo obtido foi segmentado em imagens ao longo de intervalo de tempo regular previamente

estabelecido (10 segundos), e o processamento e melhoramento da qualidade das imagens

adquiridas foram realizados atravs do software Image J, que foram obtidas a intervalos regulares e

possibilitaram a obteno de dados de distncia percorrida pela frente de fluxo em funo do tempo.

A medida de volume de fibras das placas infundidas foi realizado de acordo com a norma ASTM

D3171 (2010), que, atravs de medidas das dimenses e da densidade de pequenas amostras,

permite a obteno, de maneira indireta, porm rpida e bastante representativa, desse parmetro.

Adotou-se como viscosidade da mistura o valor listado temperatura de 25C no catlogo do

fornecedor da resina e agente de cura. Quanto presso de entrada , o valor utilizando foi sempre

o da presso atmosfrica, qual seja, 105 Pa.

(a) (b)

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Resultados e Discusso A Tabela 1 lista os valores do parmetro m, da porosidade volumtrica, da viscosidade e da

permeabilidade direcional, que foi calculada a partir da Eq.2. Esses resultados obtidos foram

utilizados como parmetro de entrada para a modelagem realizada com o software LIMS.

Tabela 1. Dados experimentais obtidos para o parmetro m, porosidade volumtrica, viscosidade e

permeabilidade direcional.

Material Parmetro m

(mm/s)

Porosidade

volumtrica ()

Viscosidade (Pa.s) Permeabilidade

direciona Kxx (m)

Fibra de vidro 30,310 0,551 0,600 5,01E-11

A Figura 3 fornece uma comparao visual entre a simulao realizada via LIMS para o Basic RIFT

e a frente de fluxo de resina lquida na placa compsita real, ao longo do tempo de infuso desta.

Da Figura 4 possvel observar a muito boa correspondncia entre a frente de fluxo da placa

infundida e o resultado da modelagem. A divergncia entre resultados iniciada aos 1000 s de

infuso decorre do fato de o LIMS no considerar fenmenos fsico-qumicos envolvidos no

processo de cura, o que faz com que a progresso da frente de resina na modelagem se d a

viscosidade constante at o preenchimento completo da placa. Nota-se tambm que a linha de frente

de avano da resina no modelada com perfeio, sendo aproximada por uma reta.

Figura 3. Comparao das frentes de fluxo terica e experimental ao longo do tempo de infuso de mantas

de fibra de vidro de trama simples 1x1 na orientao 0.

% de preenchimento

82% Figura 4. Pontos de dados quanto ao progresso da frente de fluxo terica e real no decorrer do tempo para

mantas de vidro de trama simples 1x1 na orientao 0.

1270 s

500 s

400 s

300 s

200 s

100 s

1000 s

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Concluso

Pode-se concluir que, com uma coleta precisa dos dados experimentais, a simulao foi

satisfatoriamente representativa do avano da frente de fluxo de resina em funo do tempo at o

incio do processo de reticulao/cura da resina termorrgida. Pode-se, portanto, assumir que a

simulao numrica para determinao do tempo de preenchimento de molde flexvel por infuso a

vcuo de resina lquida, empregando-se processos experimentais e ferramentas computacionais

especificamente dedicados s tcnicas de manufatura empregando moldes rgidos, vivel e gera

resultados bastante prximos daqueles observados na prtica.

Agradecimentos Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de So Paulo (FAPESP), pela concesso de bolsa de

Iniciao Cientfica (processo 2014/00099-0).

Referncias Bibliogrficas 1. F. Takeda; K. Hayashi; Y. Suga; S. Nishiyama; Y. Komori; N. Asahara. Mitsubishi Heavy

Industries Technical Review, 2005, v.42, 6p.

2. M. Yamashita; F. Takeda; T. Sakagawa; F. Kimata; Y. Komori. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, 2008, v.45, 4p.

3. T. Shinoda; H. Odani; E. Wadahara; Y. Komori; T. Shono. Proceedings of the 16th International Conference on Composite Materials, Kyoto, Japan, 2007.

4. J. Summerscales; T. J. Searle. Journal of Materials: Design and Applications, 2005, v.219, p.45-58.

5. N. Vernet; E. Ruiz; S. G Advani; J. B. Alms; M. Aubert; M. Barburski; G. Ziegmann. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2014, v.61, p.172-184.

6. Q. Govignon; S. Bickerton; P. Kelly. Composites Part A - Applied Science and Manufacturing, 2010, v.41, p.45-57.

7. J. B. Alms; N. Correia; S. G. Advani; E. Ruiz; C. T. Goncalves, FCPM Collaboration, 2010. 8. N. Correia, Tese de Doutorado, University of Nottingham, UK, 2004. 9. M. S. Koefoed; E Lund; L. Lilleheden. Proceedings of the 15th Nordic Seminar on

Computational Mechanics, Aalborg, Denmark, 2002.

10. A. Gokce; M. Chohra; S. G. Advani; S. M Walsh. Composites Science and Technology, 2005, v.65, p.2129-2139.