ITUB20159711A1 - Pressure system outside the autoclave for forming and curing composite laminates (Local Autoclave) - Google Patents
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Description
Sistema in pressione fuori autoclave per la formatura e la polimerizzazione di laminati in materiale composito (Locai Autoclave) Out-of-autoclave pressure system for forming and curing composite laminates (Locai Autoclave)
Stato dell’ arte State of the art
I materiali compositi sono dei materiali costituiti da due componenti: la matrice ed il rinforzo. La matrice è costituita da una resina, ad esempio, per il settore aeronautico di tipo epossidico e da un materiale di rinforzo costituito da fibre di vario tipo (carbonio, vetro, kevlar) in vario formato (unidirezionale, tessuto, mat). Composite materials are materials consisting of two components: the matrix and the reinforcement. The matrix is made up of a resin, for example, for the aeronautical sector of the epoxy type and of a reinforcement material consisting of fibers of various types (carbon, glass, Kevlar) in various formats (unidirectional, fabric, mat).
La matrice è in forma liquida per i processi che prevedono L impregnazione nel momento della fabbricazione del rinforzo (impregnazione per via umida) che può avvenire con diversi procedimenti come ad esempio un processo di infusione. La matrice può, anche, essere stata già disposta sul rinforzo con procedimenti automatici in una fase precedente all’ utilizzo, caso in cui si parla di “preimpregnati”. Le tecnologie di fabbricazione di questi materiali prevedono la realizzazione con operazioni manuali o anche automatiche di sovrapposizione di diversi strati di rinforzo ottenendo i cosiddetti laminati. The matrix is in liquid form for processes that involve impregnation at the moment of fabrication of the reinforcement (wet impregnation) which can take place with different procedures such as an infusion process. The matrix may also have already been placed on the reinforcement with automatic procedures in a phase prior to use, in which case we speak of "prepregs". The manufacturing technologies of these materials foresee the realization with manual or even automatic overlapping operations of different reinforcement layers obtaining the so-called laminates.
Un laminato è posto, con un tipico procedimento, all’ interno di un sacco flessibile in cui viene realizzato il vuoto, “sacco sotto vuoto”. Con il “sacco sotto vuoto” viene eseguita una prima compattazione del materiale sotto l’azione della depressione (pressione minore della pressione atmosferica) creatasi all’interno del sacco. Il sacco sotto vuoto consente anche di asportare gli eventuali gas che si creano durante la polimerizzazione della matrice evitando di avere porosità e sacche di gas nel laminato polimerizzato. A laminate is placed, with a typical procedure, inside a flexible bag in which the vacuum is created, "vacuum bag". With the "vacuum bag" a first compaction of the material is performed under the action of the depression (pressure lower than atmospheric pressure) created inside the bag. The vacuum bag also allows to remove any gases that are created during the polymerization of the matrix, avoiding porosity and gas pockets in the polymerized laminate.
Per avere una migliore compattazione e le migliori proprietà meccaniche è necessario applicare una pressione esterna sul sacco sotto vuoto contenente il laminato. To have a better compaction and the best mechanical properties it is necessary to apply an external pressure on the vacuum bag containing the laminate.
La pressione sul sacco è usualmente applicata, nel settore aeronautico ad esempio, mediante una speciale attrezzatura denominata “autoclave” che non è altro che un contenitore cilindrico in cui è posto il laminato da polimerizzare ed in cui può essere controllata la temperatura e la pressione da applicare secondo un ciclo specifico per ogni tipo di resina utilizzata per impregnare il rinforzo. The pressure on the bag is usually applied, in the aeronautical sector for example, by means of a special equipment called "autoclave" which is nothing more than a cylindrical container in which the laminate to be polymerized is placed and in which the temperature and pressure can be controlled by apply according to a specific cycle for each type of resin used to impregnate the reinforcement.
Il processo si presenta con elevati costi per la gestione dell’autoclave, dovuti al grande volume della stessa da mantenere alla temperatura prevista dal processo di cura. The process has high costs for the management of the autoclave, due to the large volume of the same to be maintained at the temperature required by the curing process.
Negli ultimi anni l’attenzione dei tecnici e dei ricercatori è stata rivolta al trovare dei sistemi che consentono di avere la corretta compattazione e polimerizzazione del laminato senza l’uso di autoclave. In recent years, the attention of technicians and researchers has been focused on finding systems that allow for the correct compaction and polymerization of the laminate without the use of an autoclave.
Sono stati quindi proposti dei sistemi che non prevedono l’uso dell’autoclave; ad esempio sistemi che prevedono di creare sul sacco in depressione una nuova camera “sotto vuoto” ; essa però non può a dare una pressione di compattazione superiore al valore della pressione atmosferica. Systems were therefore proposed that do not involve the use of the autoclave; for example systems that provide for the creation of a new "vacuum" chamber on the vacuum bag; however, it cannot give a compaction pressure higher than the value of the atmospheric pressure.
Il sistema presentato in questo brevetto supera questo limite e consente di realizzare una polimerizzazione fuori autoclave a pressione maggiore della pressione atmosferica. The system presented in this patent overcomes this limit and allows to carry out an out-of-autoclave polymerization at a pressure higher than atmospheric pressure.
Descrizione del nuovo sistema Description of the new system
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione del nuovo sistema con l’aiuto delle unite tavole di disegno in cui: Further features and advantages of the invention will become more evident in the light of the description of the new system with the help of the accompanying drawing tables in which:
la Tavola 1 - Figura 1 è una vista in sezione ; Table 1 - Figure 1 is a sectional view;
la Tavola 1 - Figura 2 è una vista isometrica; Table 1 - Figure 2 is an isometric view;
la Tavola 2 - Figura 3 è una immagine del realizzato sistema. Table 2 - Figure 3 is an image of the realized system.
Il nuovo sistema è costituito dai seguenti elementi: The new system consists of the following elements:
- Tavola a depressione (1) - Vacuum table (1)
- Calotta (2) - Shell (2)
Stampo (3) Mold (3)
- T avola per il controllo della temperatura (4) - Table for temperature control (4)
Piastra di bloccaggio (5) Lock plate (5)
Il sistema prevede che sulla Tavola a depressione (1) sia posizionato lo Stampo (3) con il Laminato da polimerizzare (6). The system foresees that the Mold (3) with the Laminate to be polymerized (6) is positioned on the vacuum table (1).
La Tavola a depressione (1) può essere derivata, con semplici modifiche, da sistemi di tipo commerciale già disponibili sul mercato ed utilizzati ad esempio nelle macchine utensili per asportazione di truciolo per fissare i pezzi da lavorare. The vacuum table (1) can be derived, with simple modifications, from commercial systems already available on the market and used for example in machine tools for chip removal to fix the pieces to be machined.
Sulla Tavola a depressione (1) viene posizionata la Calotta (2) in modo che essa ricopra completamente lo Stampo (3) recante il Laminato da polimerizzare (6). The Cap (2) is positioned on the Vacuum Table (1) so that it completely covers the Mold (3) bearing the Laminate to be polymerized (6).
La depressione applicata dalla Tavola (1) blocca la Calotta (2), mediante gli appositi sistemi di tenuta previsti dalla Tavola stessa, mediante Tazione della depressione che agisce sulla Superficie Inferiore della Flangia della Calotta (7). La depressione viene applicata collegando la tavola ad un impianto/pompa per il vuoto raggiungendo il massimo valore della depressione anche con sistemi di intensificazione della depressione. The depression applied by the Table (1) blocks the Cap (2), by means of the special sealing systems provided by the Table itself, by means of the action of the depression which acts on the Lower Surface of the Cap Flange (7). The vacuum is applied by connecting the table to a vacuum system / pump, reaching the maximum vacuum value even with vacuum intensification systems.
Per aumentare la forza di bloccaggio della Calotta (2) sulla T avola di fissaggio a depressione (1) si pone sulla superficie esterna della flangia della Calotta una Piastra di bloccaggio (5). La Piastra di bloccaggio (5) è a fonna di corona circolare e può essere costituita da uno o più settori affiancati. La piastra intera o i settori della piastra sono bloccati sulla Tavola a depressione (1) mediante Tazione di depressione esercitata dalla Tavola con lo stesso sistema con cui è bloccata la calotta. To increase the clamping force of the Cap (2) on the vacuum fixing T ee (1) a Locking Plate (5) is placed on the external surface of the Cap flange. The locking plate (5) has the shape of a circular crown and can consist of one or more sectors placed side by side. The entire plate or sectors of the plate are blocked on the vacuum table (1) by means of the vacuum action exercised by the table with the same system with which the cap is locked.
La forma di un settore tipico della Piastra di bloccaggio è riportato nelle Figure 1 e 2, dove ad esempio è stata divisa in quattro settori. The shape of a typical sector of the Locking Plate is shown in Figures 1 and 2, where for example it has been divided into four sectors.
La Piastra di Bloccaggio (5) agisce sulla Superficie superiore della Flangia della Calotta (8). La pressione positiva sul laminato da polimerizzare viene ottenuta mediante Tintroduzione di un gas inerte, o anche aria, in pressione da un Punto di ingresso della Pressione (9) posto sulla sommità della Calotta (2). The Lock Plate (5) acts on the Top Surface of the Hood Flange (8). The positive pressure on the laminate to be polymerized is obtained by introducing an inert gas, or even air, under pressure from a Pressure Inlet Point (9) located on the top of the Cap (2).
La pressione del gas (o aria) è regolata in modo da garantire la tenuta del sistema. La regolazione può essere realizzata in automatico mediante un sistema elettronico costituito da sensori di pressione e di vuoto e da un sistema di regolazione della pressione esterna applicata mediante una Valvola automatica per il controllo della pressione. La temperatura è controllata mediante l’uso di una Tavola per il controllo della temperatura (4) dotata di un sistema automatico di riscaldamento e raffreddamento e da sensori per rilevare il valore della temperatura. The gas (or air) pressure is regulated in order to guarantee the tightness of the system. The regulation can be carried out automatically by means of an electronic system consisting of pressure and vacuum sensors and a system for regulating the external pressure applied by means of an automatic pressure control valve. The temperature is controlled through the use of a temperature control table (4) equipped with an automatic heating and cooling system and sensors to detect the temperature value.
Tra la Tavola per il controllo della temperatura (4) e Tavola a depressione (1) potrà essere interposto un materiale isolante. An insulating material can be interposed between the temperature control board (4) and the vacuum board (1).
La Calotta (2) è costituita in un unico pezzo realizzato in materiale metallico o polimerico. Nel caso di uso di materiale metallico la Calotta è rivestita con uno strato di materiale isolante tennicamente per ridurre le dispersioni di calore. The shell (2) is made up of a single piece made of metal or polymeric material. In the case of use of metal material, the shell is coated with a layer of insulating material to reduce heat dispersion.
Nel caso in cui la Calotta (2) è realizzata con un materiale polimerico, resistente ad alta temperatura e a bassa conducibilità termica, la Flangia della Calotta è rinforzata con un’anima metallica. In the event that the shell (2) is made of a polymeric material, resistant to high temperatures and low thermal conductivity, the flange of the cap is reinforced with a metal core.
La forma e le dimensioni della calota dipendono dal tipo di elemento da produrre e dal valore della pressione positiva che si intende applicare. The shape and dimensions of the cap depend on the type of element to be produced and on the value of the positive pressure to be applied.
La pressione massima che si potrà applicare sul laminato da polimerizzare dipende dall’ estensione della superficie inferiore della Flangia della Calota (7) a contato con la Tavola per il fissaggio a depressione (1) e dall’azione esercitata della Piastra di bloccaggio (5). The maximum pressure that can be applied on the laminate to be polymerized depends on the extension of the lower surface of the Calota Flange (7) in contact with the Vacuum Fixing Board (1) and on the action of the Locking Plate (5) .
La Tavola di fissaggio a depressione (1) presenta dei fori, la cui posizione varia in funzione del tipo e dimensioni del laminato da realizzare, a tenuta tennica e a tenuta di pressione per garantire il passaggio di eventuali sistemi per mantenere e/o realizzare il vuoto nel laminato da polimerizzare, nelPinviare resina alTintemo del laminato in caso di processi per infusione di resina, per Tintroduzione di sistemi per l’acquisizione di immagini o di termocoppie per il controllo della temperatura del laminato. The vacuum fixing table (1) has holes, the position of which varies according to the type and size of the laminate to be made, with a thermal seal and a pressure seal to ensure the passage of any systems to maintain and / or create the vacuum. in the laminate to be polymerized, in sending resin to the interior of the laminate in the case of resin infusion processes, for the introduction of systems for acquiring images or thermocouples for controlling the temperature of the laminate.
Utilizzo del nuovo sistema di polimerizzazione fuori autoclave Use of the new out-of-autoclave polymerization system
utilizzo con preimpregnati use with prepregs
nel caso di utilizzo di preimpregnati Tutilizzo del nuovo ritrovato prevede la realizzazione della stratificazione dei fogli di preimpregnati secondo le procedure previste come se il manufato andasse polimerizzato in autoclave realizzando un sacco soto vuoto contenete il materiale da polimerizzare. Lo Stampo (3) con il materiale viene posizionato sulla Tavola per il controllo della temperatura (4) a sua volta posizionata sulla Tavola a depressione (1). Si passano i cavi ed i tubi per effettuare il vuoto nel sacco in cui è posto il laminato attraverso i fori a tenuta presenti sulla Calota (2) e la si fissa alla Tavola a depressione con i sistemi di tenuta previsti dalla Tavola a depressione (1) e si collega la tavola stessa ad un impianto/pompa per il vuoto raggiungendo il massimo valore della depressione. In tal modo la Calota (2) è bloccata sulla Tavola a depressione (1). Per aumentare la forza di bloccaggio si posiziona la Piastra di bloccaggio (5) sulla Tavola a depressione (1) facendo atenzione che la superficie di contato tra la Piastra di bloccaggio (5) e la Superficie Superiore della Flangia della Calota (8) sia la massima possibile. in the case of use of prepregs The use of the new invention foresees the realization of the stratification of the prepreg sheets according to the foreseen procedures as if the product were polymerized in an autoclave creating a vacuum sack containing the material to be polymerized. The mold (3) with the material is positioned on the temperature control table (4) which is in turn positioned on the vacuum table (1). The cables and pipes are passed to carry out the vacuum in the bag in which the laminate is placed through the sealing holes present on the Calota (2) and it is fixed to the vacuum table with the sealing systems provided by the vacuum table (1 ) and the table itself is connected to a vacuum system / pump, reaching the maximum depression value. In this way the Calota (2) is blocked on the Vacuum Table (1). To increase the locking force, place the Locking Plate (5) on the Vacuum Table (1) making sure that the contact surface between the Locking Plate (5) and the Upper Surface of the Dome Flange (8) is the maximum possible.
Si porta la Tavola per il controllo della temperatura (4) alla temperatura prevista dal ciclo di polimerizzazione e si applica la pressione esterna attraverso il Punto di ingresso della pressione (9) secondo quanto previsto dal ciclo di polimerizzazione. A termine del ciclo di polimerizzazione si elimina la pressione, si elimina il riscaldamento, si elimina la depressione e si completa il raffreddamento secondo quanto previsto dal ciclo di polimerizzazione. The Temperature Control Table (4) is brought to the temperature predicted by the polymerization cycle and external pressure is applied through the Pressure Inlet Point (9) according to the requirements of the polymerization cycle. At the end of the polymerization cycle the pressure is eliminated, the heating is eliminated, the depression is eliminated and the cooling is completed according to the provisions of the polymerization cycle.
utilizzo con sistemi che prevedono l ' utilizzo di infiisione di resina. use with systems that require the use of resin infiision.
nel caso di utilizzo con sistemi di infusione di resina Γ utilizzo del nuovo ritrovato prevede il posizionamento del rinforzo da impregnare sullo stampo secondo le procedure di realizzazione della tecnica di infusione considerata e prevista dal produttore. Lo Stampo (3) con il materiale sotto viene posizionato sulla Tavola per il controllo della temperatura (4) a sua volta posizionata sulla Tavola a depressione (1). Si passano i cavi ed i tubi per effettuare il vuoto nel sacco in cui è posto il laminato e per l’infusione di resina attra verso i fori a tenuta presenti sulla Calotta (2) e la si fissa alla Tavola a depressione (1) con i sistemi di tenuta previsti dalla Tavola a depressione (1) e si collega la tavola stessa ad un impianto/pompa per il vuoto raggiungendo il massimo valore della depressione. In tal modo la Calotta (2) è bloccata sulla Tavola a depressione (1). Per aumentare la forza di bloccaggio si posiziona la Piastra di bloccaggio (5) sulla Tavola a depressione (1) facendo attenzione che la superficie di contatto tra la Piastra di bloccaggio (5) e la Superficie Superiore della Flangia della Calotta (8) sia la massima possibile. in the case of use with resin infusion systems Γ use of the new invention provides for the positioning of the reinforcement to be impregnated on the mold according to the procedures for implementing the infusion technique considered and envisaged by the manufacturer. The mold (3) with the material underneath is positioned on the temperature control table (4) which is in turn positioned on the vacuum table (1). The cables and pipes are passed to carry out the vacuum in the bag in which the laminate is placed and for the resin infusion through the sealing holes present on the Cap (2) and it is fixed to the Vacuum table (1) with the sealing systems provided by the vacuum table (1) and the table itself is connected to a vacuum system / pump reaching the maximum depression value. In this way the Cap (2) is locked on the Vacuum Table (1). To increase the locking force, place the Locking Plate (5) on the Vacuum Table (1) making sure that the contact surface between the Locking Plate (5) and the Upper Surface of the Hood Flange (8) is the maximum possible.
Si porta la Tavola per il controllo della temperatura (4) alla temperatura prevista dal ciclo di infusione, si effettua Tinfusione secondo le indicazioni fomite dal produttore e si controlla Tinfusione con una microcamera introdotta alTintemo della calotta. The temperature control table (4) is brought to the temperature foreseen by the infusion cycle, the infusion is carried out according to the instructions provided by the manufacturer and the infusion is checked with a micro-chamber introduced inside the cap.
Terminata Tinfusione della resina per effettuare la polimerizzazione si porta la Tavola per il controllo della temperatura (4) alla temperatura prevista dal ciclo di polimerizzazione e si applica la pressione esterna attraverso il Punto di ingresso della pressione (9) secondo quanto previsto dal ciclo di polimerizzazione. A termine del ciclo di polimerizzazione si elimina la pressione, si elimina il riscaldamento, si elimina la depressione e si completa il raffreddamento secondo quanto previsto dal ciclo di polimerizzazione . Once the resin infusion has been completed to carry out the polymerization, the temperature control table (4) is brought to the temperature envisaged by the polymerization cycle and the external pressure is applied through the pressure entry point (9) according to the provisions of the polymerization cycle . At the end of the polymerization cycle the pressure is eliminated, the heating is eliminated, the depression is eliminated and the cooling is completed according to the provisions of the polymerization cycle.
utilizzo con laminato con resina termoplastica use with laminate with thermoplastic resin
nel caso di utilizzo di laminati con resina tennoplastica Tutilizzo del nuovo ritrovato prevede che il laminato precompattato, con le procedure previste dal produttore dello stesso, sia posto in un sacco polimerico (siliconico) per l’esecuzione del vuoto. Lo Stampo (3) con il materiale viene posizionato sulla Tavola per il controllo della temperatura (4) a sua volta posizionata sulla Tavola a depressione (1). Si passano i cavi ed i tubi per effettuare il vuoto nel sacco in cui è posto il laminato attraverso i fori a tenuta presenti sulla Calotta (2) e la si fissa alla T avola a depressione con i sistemi di tenuta previsti dalla Tavola a depressione (1) per il vuoto raggiungendo il massimo valore della depressione. In tal modo la Calotta (2) è bloccata sulla Tavola a depressione (1). Per aumentare la forza di bloccaggio si posiziona la Piastra di bloccaggio (5) sulla Tavola a depressione (1) facendo attenzione che la superficie di contatto tra la Piastra di bloccaggio (5) e la Superficie Superiore della Flangia della Calotta (8) sia la massima possibile. Si porta la Tavola per il controllo della temperatura (4) alla temperatura prevista dal ciclo di formatura e si applica la pressione esterna attraverso il Punto di ingresso della pressione (9) secondo quanto previsto dal ciclo di formatura, contemporaneamente ala azione della pressione sul sacco si applica la depressione alf interno del sacco siliconico. in the case of use of laminates with tennoplastic resin The use of the new invention provides that the pre-compacted laminate, with the procedures provided by the manufacturer of the same, is placed in a polymeric (silicone) bag for the execution of the vacuum. The mold (3) with the material is positioned on the temperature control table (4) which is in turn positioned on the vacuum table (1). The cables and pipes are passed to carry out the vacuum in the bag in which the laminate is placed through the sealing holes present on the Cap (2) and it is fixed to the vacuum table with the sealing systems provided by the vacuum table ( 1) for vacuum reaching the maximum depression value. In this way the Cap (2) is locked on the Vacuum Table (1). To increase the locking force, place the Locking Plate (5) on the Vacuum Table (1) making sure that the contact surface between the Locking Plate (5) and the Upper Surface of the Hood Flange (8) is the maximum possible. The temperature control table (4) is brought to the temperature foreseen by the forming cycle and the external pressure is applied through the pressure entry point (9) according to the provisions of the forming cycle, at the same time as the action of the pressure on the bag. the vacuum is applied to the inside of the silicone bag.
A tennine del ciclo di formatura si elimina la pressione, si elimina il riscaldamento, si elimina la depressione e si completa il raffreddamento secondo quanto previsto dal ciclo stesso. At the end of the forming cycle the pressure is eliminated, the heating is eliminated, the depression is eliminated and the cooling is completed according to the provisions of the cycle itself.
Il nuovo sistema di polimerizzazione con pressione positiva fuori autoclave come si vede si presenta estremamente flessibile e semplice da utilizzare. Tale invenzione è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari potranno essere sostituiti da alti elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze, senza uscire dall'ambito di tutela della presente invenzione. As you can see, the new polymerization system with positive pressure out of the autoclave is extremely flexible and easy to use. This invention is susceptible of numerous modifications and variations, all of which are within the scope of the inventive concept expressed in the attached claims. All the details can be replaced by high technically equivalent elements, and the materials can be different according to the requirements, without departing from the scope of protection of the present invention.
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| ITUB2015A009711A ITUB20159711A1 (en) | 2015-12-15 | 2015-12-15 | Pressure system outside the autoclave for forming and curing composite laminates (Local Autoclave) |
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| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITUB20159711A1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5116216A (en) * | 1991-02-28 | 1992-05-26 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Apparatus for preparing thermoplastic composites |
| WO2007035100A2 (en) * | 2005-09-26 | 2007-03-29 | Alcoa Inc. | Method and device for adhering components to a composite molding |
| WO2012108236A1 (en) * | 2011-02-07 | 2012-08-16 | シャープ株式会社 | Solar cell module production method, and solar cell module produced by the production method |
| EP2636497A1 (en) * | 2010-11-05 | 2013-09-11 | Fujigen Inc. | Method for producing ornament |
| US8668857B1 (en) * | 2008-04-25 | 2014-03-11 | Abe Karem | High quality out-of-autoclave composites |
-
2015
- 2015-12-15 IT ITUB2015A009711A patent/ITUB20159711A1/en unknown
Patent Citations (5)
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