Enchimento de uma cavidade parcialmente preenchida com um meio poroso

Abstract

O processo RTM é um método de fabrico de materiais compósitos em que é colocada uma fibra no interior de uma cavidade moldante fechada, para cujo interior é injectada uma resina que impregna e satura a fibra. Contudo, um dos problemas mais frequentes deste processo prende-se com o que se passa durante a etapa de enchimento. A eventual presença de pequenas folgas entre o meio poroso e as paredes da cavidade do molde pode conduzir à obtenção de peças com defeitos, pois essas zonas apresentam-se como regiões preferenciais para o escoamento, onde a resistência ao movimento da resina é menor, levando muitas vezes ao aparecimento de áreas por saturar com resina no interior do meio poroso. Neste trabalho pretende-se construir uma instalação laboratorial para a simulação experimental do processo de enchimento de uma cavidade moldante parcialmente preenchida com um meio poroso. Pretende-se analisar o escoamento para diferentes velocidades de entrada do fluido, para diferentes larguras de canal e simular numericamente o processo de enchimento. Para meio poroso utilizaram-se duas espumas à base de poliéster com 0,0125 m de espessura e uma em poliuretano com 0,015 m de espessura sujeitas a compressão de modo a perfazer uma espessura de 0,01 m (espessura da cavidade moldante). As permeabilidades das espumas foram obtidas experimentalmente através de uma técnica gravimétrica. A sua porosidade foi também determinada experimentalmente. O estudo do enchimento foi realizado para as velocidades uniformes de entrada de 0,01 m/s e 0,02 m/s. Para ambas foi observado um escoamento preferencial (“race tracking”) pelos canais livres do meio poroso. A espuma em poliuretano ofereceu maior resistência ao escoamento por apresentar um valor de permeabilidade mais baixo (8,23×10-11 m2). Ao aumentar a largura do “gap” ou ao diminuir a permeabilidade do meio poroso, o escoamento através dos canais laterais é mais acentuado. A espuma em poliuretano revelou-se ser a mais representativa em relação ao que se passa na etapa de enchimento do processo RTM dada a maior semelhança entre as suas propriedades e as propriedades das fibras. Os resultados numéricos ainda diferem substancialmente dos experimentais pelo que se conclui que é necessário melhorar e validar o modelo matemático e/ou numérico utilizado.

ABSTRACT: RTM process is a manufacturing method of composite materials in which a fibre is located inside a closed mold cavity, for whose interior a resin that impregnates and saturates the fibre is injected. However, one of the most frequent problems of this process is related with the filling stage. The possible existence of small gaps between porous medium and mold cavity walls can lead to parts with defects, because in the gaps the flow is preferential and the resin flow resistance is smaller, leading many times to appearance of areas not saturated with resin inside porous medium. The goal of this thesis is to build an experimental installation to simulate the filling process into a mold cavity partially filled with a porous medium. It is intended to study the flow for different fluid inlet velocities, for gaps with different widths, and to numerically simulate the filling process. Two Polyester based foams of thickness 0,0125 m and one Polyurethane foam of thickness 0,015 m of were used as porous media. The foams were compressed until 0,01 m thickness because this is the thickness of the mold cavity. The foam permeabilities were obtained experimentally using a gravimetry technique. Foam porosities were also experimentally determined. The filling study was realized for uniform inlet velocities of 0,01 m/s and 0,02 m/s. For both inlet velocities a preferential flow through the gaps (race tracking) was observed. Polyurethane foam offered greater resistance to flow because it presents the lowest permeability value (8,23×10-11 m2). Flow near the borders of the mold is more intense increasing the gap width or decreasing the porous medium permeability. Polyurethane foam was the most representative in concerning to RTM filling process stage, as its properties are closer to that of usual fibres. The numerical results still differ substantially relative to experimental results. Thus, one concludes that is necessary to improve and to validate the mathematical and/or numerical models.