SIMULATION OF RESIN FLOW IN VARTM TECHNOLOGY POPIS PROUDĚNÍ PLNIVA PŘI VÝROBĚ KOMPOZITŮ TECHNOLOGIÍ VARTM V PODDAJNÉ FORMĚ

Transkript

1 IMULATION OF REIN FLOW IN VARTM TECHNOLOGY POPI PROUDĚNÍ PLNIVA PŘI VÝROBĚ KOMPOZITŮ TECHNOLOGIÍ VARTM V PODDAJNÉ FORMĚ Josf ŽÁK 1, Františk MARTAU 2 Abstrakt Tchnoogy VARTM ( Vacuum Assistd Rsin Transfr Mouding is just a modification of RTM tchnoogy, usd to mak up th composit pics. Unik of th cassic RTM tchnoogy th fiing of th moud is assurd by th appication of vacuum in th intrior of th moud. This diffrnc of prssurs inducs dformation of th fxib moud and thus th fibrs ar compactd in th moud. Th prsnt work dscribs a simuation of VARTM procss during th fabrication of aircraft propr bads in Výzkumný a zkušbní tcký ústav in Praha. Úvod Při tchnoogii RTM ( Rsin Transfr Mouding probíhá výrobní procs v někoika krocích. Zákadním charaktristickým znakm této tchnoogi j pnění výztuž, vožné do formy, matricí ( pryskyřicí v nvytvrzném stavu. Na tomto procsu závisí jak kvaita končného produktu, tak i paramtry výroby ( např. konomické hdisko nbo koogické požadavky Prvním krokm j příprava tzv. přdisku. Tkaná ( případně i ntkaná výztuž j vystřižna do požadovaného tvaru. Jdnotivé nástřihy jsou násdně navrstvny v požadovaném sdu. Druhý krok spočívá v vytvarování cku do tvaru co njbižšímu tvaru končné součástky. Pro tuto opraci j třba v většině případů používat tzv. spojovacích prostřdků ( ang. bindrs ; jjich úohou j udržt přdisk v požadovaném tvaru a zabránit vzájmnému posunutí jdnotivých vrstv. Njčastěji s používají práškové směsi, váknité a tkuté spojovací prostřdky. Tyto směsi jsou běžně součástí výztuží, určných spciáně pro RTM. Vytvarování přdisku pak probíhá buď v spciání formě, ktrá můž být i vyhřívaná ( mnohé spojovací prostřdky s působním tpa natavují a po vychadnutí opět tuhnou nbo i v formě, určné pro vastní vstřikování pryskyřic. Třtí fází j vožní přdisku do formy a vstřikování pryskyřic. Právě tnto procs by havním přdmětm našho výzkumu. V průběhu čtvrté fáz dochází k vytvrzní pryskyřic; to můž probíhat za různých podmínk, pod požadavků na kvaitu hotové součástky. kadba vrtuového istu 4. MEZINÁRODNÍ KONFERENCE EXPERIMENTÁLNÍ ANALÝZY NAPĚTÍ 4 th INTERNATIONAL CONFERENCE EXPERIMENTAL TRE ANALYI VI. 22, PRAHA/PRAGUE, CZECH REPUBLIC 1 VÚT a.s. Librc, U Jzu 4, Librc, 2 VZLÚ a.s. Praha, Branových 13, Praha

2 Tchnoogicky s jdná o dí, tvořný skořpinou z aminovaného kompozitu a jádrm, vypěněným z poyurtanové pěny: Zákadní matmatický popis procsu Při popisu proudění pryskyřic při pnění formy s obvyk vychází z Darcyho zákona: r 1 v =. K. grad p Protož pro taky, při nichž probíhá pnění form, z zandbat změnu objmu pryskyřic, j možno psát zákon o zachování hmoty v proudovém poi: K.. p = Vzhdm k charaktru vrtuových istů, vyráběných mtodou RTM jsm s omzii na jdnorozměrné případy. Vastní řšní této soustavy byo provdno pomocí mtody končných prvků. Matic tuhosti jdnorozměrného prvku má pak podobu: k = K K K K Hodnoty K a jsou v daném okamžiku místně proměnné, hodnota dynamické viskozity závisí v našm zjdnodušném modu pouz na čas a tpotě. Vastní hodnoty K(p a (p jsou vyjádřny jako sumy: K = = K. + K. + K 45 ck pr ck pr. pr ck

3 tanovní paramtrů procsu Prvním krokm byo stanovní jdnotivých paramtrů, ovivňujících průběh injktáž pryskyřic. Protož hodnoty propustnosti K njsou běžnou součástí dokumntac k matriáům, byy stanovny jdnak xprimntáně, jdnak z dostupné itratury. Pro závisost viskozity na čas a tpotě byy použity vztahy pro Nwtonovské kapainy, konkrétně Arrhniův vztah: v = An. ( T T T V tomto vztahu vystupuj vztažná tpota, závisá na stupni vytvrzní X; tnto j stanovn řšní rovnic: dx dt X ( t = A = B R. T. H. f H ( t ( tota ( X Výsdný vztah pro viskozitu v závisosti na tpotě a stupni vytvrzní pak má podobu: kd hodnota tzv. aktivační nrgi j: a = α E.. R T E = a + b. X α = a b. X. Matriáové konstanty a, b, a a b byy stanovny xprimntáně. Do kvaziizotropní skadby z tkanin použitých na vastním istu bya vstřikována daná pryskyřic. Z naměřných hodnot průměru smáčné obasti v závisosti na čas pak byy stanovny tyto hodnoty. Pozn: Pro kruhovou obast j parciání difrnciání rovnic, vycházjící z Darcyho zákona, řšitná anayticky. chma pokusu: p a R p

4 Daším krokm byo stanovní závisosti propustnosti K a průtočného průřzu na taku. Vzhdm k dformaci formy, zmíněné v úvodu, dochází k změmě toušťky skořpiny a k zhutňování výztuž. Bya přijata násdující hypotéza: p p pa ( m m m = m +. min kd m i jsou dány z dfinic objmového podíu vákn ( jjich fyzikání význam j zřjmý z obrázku : těna formy 1 min 1 m = f. 1 V f p m m p<p h h f těna formy 2 Hodnoty m min ( rsp. odpovídající V fmax jsou dány gomtrií výztuž a j možno j stanovit pokusm a bývají uvdny i v itratuř. V našm případě j pro tkaninu v pátnové vazbě V fmax =,7 a pro jdnosměrný roving,9. V itratuř j pro závisost propustnosti na objmovém podíu výztuž V f udáván mpirický vztah: n K = A + BV. f Hodnoty A a B byy pro jdnotivé tkaniny opět stanovny pomocí uvdného xprimntu. Za přdpokadu patnosti zmíněné hypotézy pak závisost na taku j: f + m ( p = =.. f + mmin + ( m mmin f + m Řšní mtodou končných prvků byo provdno v M Excu98. Cková matic tuhosti pro 25 prvků bya sstavna a zapsána ručně, pro řšní v časových krocích byo použito programování makrojazyka. p p pa

5 Výsdky V průběhu xprimntu byo postupně vyrobno pět vrtuových istů. Tak na vstupu Tak na č Výr. číso Tpota [ C] [atm] [atm] Doba do prvního průtoku pojiva [min] Cková doba pnění [min] ,5-, , , , * 29 1, V daší tabuc j uvdno srovnání skutčné a vypočtné doby pnění: Výrobní číso kutčná doba pnění [min] Tortická doba pnění [min] , , , , ,1 Pozn: List výr. č. 11 by pněn od kořn k špičc, na rozdí od ostatních Provdné výpočty nám dá umožniy přdm odhadnout objmový podí vákn, dosažitný pro dané podmínky. V násdujících grafch j V f v jdnotivých obastch istu pro isty výr. č. 1 a výr. č. 11 v okamžiku úpného zapnění formy: Pozn: V okamžiku uzavřní formy dochází k zániku takového spádu. Násdně pak dojd uvnitř uzavřné formy k přrozdění dosud nvytvrzné pryskyřic a k určitému zprůměrování hodnot objmového podíu. Pro ist č. 1 by např. průměrný objmový podí výztuž, zjištěný vážním jdnotivých sožk, stanovn na 41%

6 Závisost obj. podíu výztuž na pooz č.1,5,45,4,35,3,25,2,15,1,5,1,2,3,4,5,6,7,8,9 m ( kořn ->špička Vf45 Vf Vfpr Závisost obj. podíu výztuž na pooz č.11,4,35,3,25,2,15 Vf45 Vf Vfpr,1,5,1,2,3,4,5,6,7,8,9 m ( kořn ->špička Závěr Z přdchozích výsdků j zřjmé, ž pomocí použité tchnoogi j dosahováno jn průměrných objmových podíů výztuž. To v svém důsdku snižuj mchanické vastnosti výsdného kompozitu ( při V f =,6 j E = 29Mpa, pro V f =,4 pak jn E = 22Mpa pro kvaziizotropní skadbu skněné výztuž Anaogicky s snižují i pvnostní a frkvnční charaktristiky výrobku. Řšním pro rozměrnější díy bud použití víc vtokových míst, ovšm za cnu kompikovanějšího systému dodávk pryskyřic