Avaliação numérica do processo de infusão de resinas em laminados espessos utilizando malha de fluxo

Abstract

O presente trabalho é dedicado a estudar numericamente problemas envolvendo o processo de Infusão de Resina Líquida (LRI) em compósitos espessos nos quais um tecido de alta permeabilidade (malha de fluxo) é adicionado na superfície superior da pré-forma para facilitar o escoamento da resina dentro do molde. Nesta técnica, utiliza-se de fibras (naturais ou sintéticas) para a aquisição de compósitos poliméricos que podem ser aplicados em diversos ramos das indústrias e da engenharia. Nesse sentido, há um grande interesse em aprimorar esta técnica para obter um produto final com propriedades físicas e mecânicas que atendam às exigências do mercado atual, além de possibilitar que os custos de fabricação sejam minimizados. Esse estudo tem por objetivo analisar o escoamento da resina dentro do molde e avaliar o comprimento da geometria, a partir do comprimento da malha de fluxo, da relação entre as permeabilidades Kxx/Kzz e da espessura do laminado. Dessa forma, foram investigadas cinco relações de Kxx/Kzz, sendo elas, 0,1, 1, 10, 100 e 1000. Já as espessuras do meio poroso analisadas foram de 0,012 m, 0,0094 m, 0,0069 m, 0,0043 m e 0,0027 m. Para avaliar o comprimento da geometria, o escoamento da resina foi monitorado em dois pontos: próximo as superfícies superior e inferior do molde, e considerou-se que a linha de frente de escoamento estava paralela à saída do molde quando à diferença entre as posições sobre as linhas de monitoramento fosse menor ou igual a 0,00151 m. As simulações numéricas foram realizadas no software livre OpenFOAM e a criação da geometria (2D) e da malha no software GMSH. A formulação de volumes finitos do OpenFOAM foi utilizada para a discretização das equações de transporte que descrevem o escoamento de resina dentro do molde e o tratamento da interface entre os dois fluidos (resina/ar) é resolvido pelo Método Volume of Fluid (VOF). Os resultados e a metodologia proposta para a avaliação da geometria demostraram-se satisfatórias e foi possível obter a posição x(t) na qual formou-se a linha de frente de escoamento paralela à saída do molde em quase todos os casos simulados. Uma análise entre a posição x(t) e o comprimento da malha de fluxo também foi realizada. Por meio dos resultados apresentados, pode-se encontrar uma maneira de generalizar o estudo, e assim, obter o comprimento ideal da malha de fluxo para qualquer comprimento de molde, possibilitando que a linha de frente de escoamento da resina esteja vertical antes do final da pré-forma. Os resultados obtidos proporcionarão facilitar o processo de moldagem experimental por essa técnica, visto que é possível prever o comprimento ideal da malha de fluxo para que a resina preencha o molde em um menor tempo possível.

The present work is dedicated to numerically studying problems involving the Liquid Resin Infusion (LRI) process in thick composites in which a high permeability (flux mesh) fabric is added to the upper surface of the preform to facilitate resin flow inside the mold. This technique uses fibers (natural or synthetic) for the acquisition of polymer composites that can be applied in various branches of industry and engineering. In this sense, there is a great interest in improving this technique to obtain a final product with physical and mechanical properties that meet the demands of the current market, in addition to allowing manufacturing costs to be minimized. This study aims to analyze the flow of the resin inside the mold and to evaluate the length of the geometry, from the length of the flux mesh, of the relationship between the permeabilities Kxx/Kzz and the thickness of the laminate. In this way, five Kxx/Kzz ratios were investigated, being 0.1, 1, 10, 100 and 1000. The thicknesses of the porous material analyzed were 0.012 m, 0.0094 m, 0.0069 m, 0.0043 m and 0.0027 m. To evaluate the length of the geometry, resin flow was monitored at two points: near the top and bottom surface of the mold, and was considered that front line was parallel to the mold outlet when the difference between positions on the monitoring lines lower or equal to 0.00151 m. Numerical simulations were performed in OpenFOAM free software and the creation of geometry (2D) and mesh in GMSH. The finite volume formulation of OpenFOAM was used for the discretization of the transport equations describing the resin flow inside the mold and the treatment of the interface between the two fluids (resin/air) is solved by the Volume of Fluid (VOF) method. The results and proposed methodology for evaluate the length of the geometry proved to be satisfactory and it was possible to obtain the position x(t) in which the flow front line parallel to the mold outlet was formed in almost all simulated cases. An analysis between the position x(t) and the length of the flow mesh was also performed. Through the presented results, one can find a way to generalize the study, and thus, to obtain the ideal length of the flow mesh for any length of mold, allowing that the front line of flow of the resin is vertical before the end of the preform. The results obtained will facilitate the experimental molding process by this technique since it is possible to predict the ideal length of the flow mesh so that the resin fills the mold in a shortest possible time.