Design e modelagem computacional aplicados á avaliação geométrica de canais abertos em um processo de infusão de resina

Abstract

O presente trabalho apresenta uma investigação numérica de um processo de infusão de resina líquida, que consiste na injeção de uma resina polimérica em um molde fechado composto por um meio fibroso e um canal aberto que facilita o escoamento da resina ao longo do domínio. No âmbito industrial, o método da tentativa e erro tem sido normalmente empregado para a definição geométrica dos canais, o que pode levar a elevado tempo de injeção e falha durante as fases iniciais da produçãode um novo componente em material compósito. O principal objetivo do trabalho é aplicar o Design Construtal para orientar o projeto neste tipo de processo. Mais precisamente, é investigada a influência da geometria de canais abertos em forma de "I" e "T" inseridos em uma placa retangular bidimensional com um meio poroso, sobre o tempo de infusão da resina. O canal em forma de "I" tem como grau de liberdade a relação L0/H0 (relação entre a espessura e o comprimento do canal), enquanto que o canal em forma de "T" tem três graus de liberdade: L0/H0 (relação entre a espessura e o comprimento do ramo simples), L1/H1 (relação entre o comprimento e a espessura do ramo bifurcado) e H0/H1 (relação entre o comprimento do ramo simples e a espessura do ramo bifurcado).A avaliação numérica do efeito da geometria sobre o tempo de infusão foi realizada através do Design Construtal e a otimização geométrica através da Busca Exaustiva (BE). As equações de conservação de massa e quantidade de movimento para a mistura de resina e ar e uma equação para o transporte da resina foram resolvidas com o Método dos Volumes Finitos (MVF). A interação entre as fases foi tratada com o método Volume of Fluid (VOF). A resistência do meio poroso foi considerada através da lei de Darcy. Os resultados mostraram a importância do emprego do Design Construtal na minimização do tempo de injeção de resina no meio poroso. As melhores geometrias com o canal em forma de "I" foram as com uma maior penetração na placa porosa para a região de saída. Para o canal em forma de "T" as geometrias de pior desempenho são restritas na região inferior da placa e o desempenho é melhorado quando o ramo principal tem elevada inserção no meio poroso para a região da saída e a razão entre as espessuras do ramo simples e bifurcados não seja muito elevada ou pequena. Quando comparado o desempenho dos canais em forma de "I" e em forma de "T" sobre o tempo de infusão, os resultados mostraram que a geometria três vezes otimizada para o canal em forma de "T" é cerca de 192,0 % melhor que a geometria ótima para o canal em forma de "I". Nestesentido, os resultados mostraram a importância da avaliação geométrica para o processo de infusão de resina líquida e a aplicação do Design Construtal para racionalizar o projeto desse tipo de processo.

This work presents the numerical investigation of a liquid resin infusion process, whichconsists of injecting a polymeric resin in a closed mold comprise of a fibrous medium and an open channel which facilitates the spread of the resin throughout the domain. In the industrial field, the method of trial and error has been often employed for the geometrical definition of the channels, which can lead to high injection time and degree of failure during the initial stages of the production of a new component made of composite material. The main objective is to apply the Constructal Design to guide the project in this type of process. More specifically, the influence of the geometry of open channels in the shape of "I" and "T" inserted into a two-dimensional rectangular plate with a porous medium on resin infusion time is investigated. The channel in the form of "I" has as degree offreedom the relation L0/H0 (relation between the thickness and the length of the channel), while the channel in the form of "T" has three degrees of freedom: L0/H0 (relation between thickness and length of the single branch), L1/H1 (relationship between length and thickness of the forked branch) and H0/H1 (relationship between length of the branch simple and thickness of the forked branch). The numerical evaluation of the effect of the geometry on the infusion time was performed using the Constructal Design and geometric optimization by Exhaustive Search (BE). The mass conservation equations and amount of movement to the mixture of resin and air, and an equation for the transport of the resin were resolved with the Finite Volume Method (MVF). The interaction between the phaseswas treated with the Volume of Fluid method (VOF). The resistance to flow in the porous medium is addressed by Darcy law. The results showed the importance of the Constructal Design for minimising resin injection time. The best geometries with the channel in the form of "I" were those with greater penetration into the porous plate to the outlet region. For the "T" channel, the worst performance geometries are restricted in the lower region of the plate and performance is improved when the main branch has high insertion into the porous medium towards the outlet region and the ratio between the thicknesses of the simple branch and bifurcated is not too high or low. When compared the performance of the channels regarding infusion times, the results showed that the geometry threetimes optimized for the channel in the form of "T" is approximately 192.0 % better than the geometry for the channel in the form of "I". In this sense, the results showed the importance of evaluating the injection strategy in liquid molding and the application of Constructal Design to rationalize the design of this type of process.