Modelagem e Simulação Numérica do Processo RTM com

MODELAGEM E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO RTM COM
DIFERENTES TIPOS DE REFORÇOS
Iran R. de Oliveira1, Sérgio M. S. Ribeiro1, Sandro C. Amico2, Jeferson A. Souza3 , Antonio G. B. de Lima1
André C. Garay2
1 - Universidade Federal de Campina grande - UFCG, Campus Campina Grande, Campina Grande – PB
2 - Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, Campus do Vale, Porto Alegre – RS
3 - Universidade Federal do Rio Grande - FURG, Campus Carreiros, Rio Grande - RS
Resumo: O RTM é um processo de fabricação de compósitos poliméricos que vem sendo cada vez mais utilizado
principalmente pela indústria automotiva, naval e aeroespacial, e consiste na injeção de uma resina polimérica através
de um reforço fibroso disposto dentro de um molde. Uma das utilizações da modelagem numérica neste processo referese à infiltração de resina e o controle (determinação) do tempo de ciclo do processo. Esta variável é importante porque,
influi não somente na produtividade, mas também na seleção de materiais a serem usados. No presente trabalho, foi
utilizado o software PAM-RTM para simular a infiltração, em diferentes condições, de reforços de fibra de
polipropileno (PP), sisal e híbridos em fluxo retilíneo. Os resultados numéricos foram avaliados através da comparação
direta com dados experimentais e os mostraram que o tempo total de injeção para o sisal é menos suscetível ao efeito da
variação da pressão de injeção.
Palavras-chave: RTM, Simulação de Fluxo, Injeção retilínea.
Modeling, numerical simulation of RTM Process with different types of reinforcements
Abstract: The RTM is a process for manufacturing polymer composites that is increasingly used especially for the
automotive, maritime and aerospace sectors, and consists of injecting a polymer resin through a fibrous reinforcement
pre-placed within the mold. One of the applications of the numerical modeling of this process regards the resin
infiltration process and the control (determination) of the time-length of the process. This variable is important because
it affects not only productivity, but also material selection. In this study, the PAM-RTM software was used to simulate
infiltration, under different conditions, of fibrous reinforcements comprised of polypropylene (PP), sisal and hybrids, in
rectilinear flow. The numerical results of filling time were compared with the experimental data and showed that the
sisal fiber was less susceptible to variation when changing the injection pressure.
Keywords: RTM, Flow Simulation, Linear Injection.
Introdução
O processo de moldagem por transferência de resina (RTM) consiste em injetar uma resina
termorrígida pré-catalisada em um molde fechado contendo uma pré-forma fibrosa seca,
normalmente de fibra de carbono ou de vidro [4]. Este processo tem-se mostrado bastante eficaz no
processamento de materiais compósitos de alto desempenho [5].
Os fatores que devem ser conhecidos e controlados, incluem: viscosidade, pressão de injeção,
pressão de vácuo, teor de fibra e permeabilidade do meio. A pressão de injeção e o gradiente de
temperatura, por exemplo, devem ser otimizados [7] para que o acabamento final do compósito e a
produtividade sejam adequados. Softwares de simulação são usados para prever o perfil de injeção
de resina e assim avaliar o tempo de infiltração (que deve ser inferior ao tempo de gel da resina),
pontos de impregnação deficiente e determinar pontos de injeção e de saída de resina/ar [8]. Além
de proporcionarem uma maior confiança no projeto do molde/contramolde. A modelagem numérica
permite também a seleção dos materiais mais adequados para o componente.
Dentre os softwares comerciais que podem ser utilizados para modelar o processo de RTM pode-se
citar o PAM-RTM, que é um aplicativo especifico para RTM, e também os softwares de CFD
(Computational Fluid Dynamics), os quais são ferramentas de simulação de problemas de mecânica
dos fluidos e transferência de calor, capazes de trabalhar com geometrias complexas e simular o
avanço e a cura da resina dentro do molde. No presente trabalho, o software PAM-RTM foi
escolhido para a modelagem do RTM [9], sendo utilizado para simular o avanço da resina dentro do
molde e avaliar a influência dos parâmetros (permeabilidade e pressão de injeção) na velocidade de
infiltração no processo RTM.
Metodologia
Utilizou-se o aplicativo PAM-RTM pela sua capacidade de criar novos tipos de reforços, e.g.
laminados, e de resinas/fluidos, por meio da inserção pelo usuário de propriedades físicas no banco
de dados do software. Foi utilizado apenas o módulo de simulação de infiltração e foram
introduzidas no banco de dados do material as características do reforço e fluido utilizados. Os
dados de entrada para cada simulação foram geometria do molde (largura, espessura e
comprimento) e pressão de injeção (Pinj), e, para o banco de dados de propriedades, permeabilidade
(K), viscosidade (μ), porosidade (φ) e massa específica (ρ). Foram realizadas simulações para dois
casos diferentes de infiltração:
(i) Infiltração retilínea de óleo em um meio poroso composto de fibras de vidro, polipropileno (PP,
ou P) ou de sisal, usando pressão de injeção (Pinj) = 0,1 bar, viscosidade (μ = 0,065 Pa.s),
porosidade (φ = 0,8), massa específica (ρ = 919 kg/m3), fração volumétrica (%Vf ) = 20%, KVIDRO=
1,28 × 10-9 m2, KPP= 1,86 × 10-9 m2 e KSISAL= 3,82 × 10-9 m2. Para o sisal, também foi avaliada a
influência do comprimento da fibra.
(ii) Infiltração retilínea de óleo em 4 laminados (sanduíche) com camadas de fibra de vidro/PP ou
vidro/sisal, utilizando as seguintes permeabilidades globais para os diferentes laminados KGGPGG =
de 1,93 × 10-9 m2, KGGGGP = 2,35 × 10-9 m2, KGGSGG = 2,87 × 10-9 m2, KGGGGS =3,47 × 10-9 m2.
Todos os dados apresentados, incluindo viscosidade e permeabilidade, foram extraídos de um
trabalho anterior deste grupo de pesquisa (Schmidt et al. [10]).
Os dois moldes utilizados na simulação têm dimensões de 320 × 150 mm e 620 × 310 mm e suas
geometrias estão representadas na Fig. 1(a e b) abaixo. No molde II, a região de injeção possui o
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formato retangular mostrado de modo a facilitar a formação do perfil linear da frente de avanço da
resina. Este perfil é desejado para que seja possível, nos experimentos em laboratório, determinar a
permeabilidade do meio através da comparação dos dados experimentais com a solução algébrica.
A malha da Fig. 1a possui 7.077 elementos (3.685 nós), com refinamento próximo à zona região de
injeção. A Fig. 1b, contém 31.122 elementos (15.885 nós).
a) Molde I
b) Molde II
█ Saturado
█ Insaturado
Figura 1 – Geometrias e malhas dos moldes utilizados.
Os resultados numéricos foram comparados aos experimentais do artigo supracitado, assumindo a
equivalência com o fluxo de um fluido incompressível através de um meio poroso. O modelo
numérico utilizado baseia-se na equação de Darcy (Eq. 1), representada matematicamente por:
v
1

K P
(1)
onde: v é o vetor de velocidade do fluido [m/s], µ a viscosidade absoluta [Pa.s], K é o tensor de
permeabilidades [m2] e P é o gradiente de pressão [Pa].
Resultados e Discussões
O avanço da frente de escoamento durante toda a injeção é mostrada na Fig. 2. O perfil retilíneo da
frente de fluxo, em todas as simulações, foi alcançado, aproximadamente, na metade do
comprimento dos moldes. Inicialmente, perto da região de injeção, o escoamento tem características
2-D e uma frente circular (radial) se forma na direção preferencial do escoamento. Quando a resina
alcança a parede do molde, de geometria retangular, o gradiente de pressões torna-se praticamente
linear na direção do escoamento e o avanço da resina passa gradativamente a ter características de
um escoamento linear.
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t=3s
t=12s
t=37s
t=66s
t=108s
t=112s
Figura 2 – Perfil de infiltração para reforço de fibra de sisal (40 mm) em diferentes tempos de
preenchimento.
Para validar a simulação numérica obtida com o PAM-RTM, estes resultados foram comparados
com os dados experimentais de Schmidt et al. [10] (Fig. 3). O desempenho da fibra de sisal é
comparado com diversos reforços utilizados comercialmente, sendo avaliados reforços simples
(homogêneos), com uma única camada, e reforços híbridos com 5 camadas e 2 tipos de reforço.
Pode-se notar que o desvio apresentado para os meios porosos realmente homogêneos, excluindo-se
assim os laminados híbridos, levou a desvios relativamente baixos. Já a comparação numérico
experimental para os laminados híbridos, representados hipoteticamente como um bloco poroso
Comprimento da fibra de Sisal (Vf=20%)
único (homogêneo), apresentou, em geral, as maiores discrepâncias de tempo de preenchimento.
Sisal
100mm
50mm
30mm
20mm
10mm
9,8
10,6
112
102
Polipropileno (P)
104
115
Vidro (G)
GGSGG
109
104
4,8
9,1
12,3
110
GGPGG
120
GGGGS
122
137
GGGGP
5,7
112
106
211
12,8
238
327
6,6
151
17,0
182
221
12,3
130
18,2
252
159
185
12,7
350
212
Figura 3 – Resultados numéricos e experimentais obtidos para o tempo de preenchimento, em segundos, e
seus respectivos desvios.
Na Fig. 4 são mostrados os resultados de 12 simulações realizadas com o PAM-RTM para o Molde
II. Nestas, todas as propriedades foram mantidas constantes com exceção da pressão de injeção, que
foi variada entre 0,5 e 1,0 bar visando estudar o seu efeito sobre o desempenho da fibra de sisal e de
PP. Em todas as simulações, assumiu-se KPP= 1,86 x 10-9 m2, KSISAL= 3,82 x 10-9 m2 e porosidade de
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80%. Nos perfis apresentados nesta figura, pode-se verificar que o sisal é menos suscetível ao efeito
da pressão de injeção. Observa-se também que os tempos de injeção mostrados são
significativamente reduzidos para as infiltrações feitas com reforço de fibra de sisal, validando o
que foi definido no artigo utilizado como fonte de dados experimentais.
Figura 4 – Posição das frentes de avanço do fluido para mantas de polipropileno (PP) e de sisal (S).
Conclusões
No presente trabalho, o aplicativo PAM-RTM foi utilizado para a modelagem numérica do avanço
de resina através de sete reforços (meio fibrosos) laminados e cinco reforços de fibra de sisal com
diferentes comprimentos da mesma. Foi utilizado um molde com geometria retangular para a
determinação experimental da permeabilidade dos meios e também o tempo de preenchimento. Um
modelo bidimensional foi utilizado para simular numericamente o tempo máximo de injeção de
resina em cada um dos casos. A validação do modelo numérico foi obtida através da comparação
dos tempos de preenchimento obtidos por Schimidt et al. [10]. Os resultados mostraram boa
concordância, ficando o desvio máximo calculado abaixo de 13% para todos os casos, exceto para o
laminado compostos GGGGS, onde utilizar um valor único para a permeabilidade pode afetar mais
consideravelmente o resultado da simulação. Também, um estudo da influência da pressão de
injeção em infiltrações realizadas em moldes preenchidos com reforço de fibra de sisal foi
realizado. Observou-se que esta é menos suscetível à variação da pressão de injeção do que o
polipropileno.
Anais do 11º Congresso Brasileiro de Polímeros – Campos do Jordão, SP – 16 a 20 de outubro de 2011.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES/PROCAD-NF pelo apoio financeiro, e à FURG pelo
fornecimento do simulador CFD PAM-RTM.
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