Simulare il trattamento dei compositi tramite microonde con una precisione senza precedenti
I compositi sono materiali composti da due o più costituenti con proprietà diverse, che hanno consentito di ridurre significativamente il peso, aumentare la resistenza specifica e migliorare la conducibilità termica ed elettrica rispetto ai componenti convenzionali in numerose applicazioni. I compositi in fibra hanno proprietà complesse relative all’orientamento preferenziale delle fibre e alla lunghezza delle stesse rispetto al diametro (rapporto d’aspetto). Questa anisotropia (ovvero il fatto di avere proprietà diverse lungo assi diversi di misurazione), insieme ai loro elevati rapporti d’aspetto, li rende difficili da modellare. Il progetto SIMUTOOL, finanziato dall’UE, ha sviluppato una piattaforma di simulazione olistica per la fabbricazione di compositi tramite riscaldamento a microonde che supera le difficoltà e ottiene risultati soddisfacenti.
Colpire nel segno in modo rapido ed efficiente
La fabbricazione dei compositi si basa sull’incorporazione di rinforzi in una matrice, che richiede il riscaldamento della matrice di resina, per indurire la resina termoindurente (ossia creare legami incrociati) nella resina termoplastica fusa. Metodi quali la pressa a caldo, l’autoclave o l’uso di un forno convenzionale si basano su conduzione e/o convezione, in cui uno strumento sfuso e/o l’aria circostante devono essere prima riscaldati, sprecando tempo ed energia. Il riscaldamento volumetrico a microonde si rivolge in modo selettivo al sistema da riscaldare e lo fa istantaneamente in tutto il sistema, promettendo un notevole risparmio energetico e una produzione di compositi più sostenibile, ma sono necessari nuovi metodi per una migliore simulazione del processo.
Dentro la scatola nera
Gli strumenti disponibili in commercio possono simulare i campi elettromagnetici, ma tralasciano i dettagli compositivi e le proprietà dei compositi odierni. La coordinatrice del progetto Jasmin Stein, della TWI Ltd, afferma: «La piattaforma di simulazione di SIMUTOOL include un campo elettromagnetico accoppiato con meccanismi di trasferimento del calore che avvengono durante il processo di produzione. Inoltre, abbiamo progettato e costruito uno strumento composito a matrice ceramica con uno strato resistente che assorbe le microonde in modo che la maggior parte dello strumento sia trasparente per le microonde: il riscaldamento viene così diretto alla parte composita e non all’intero strumento. Infine, abbiamo integrato il processo di riscaldamento a microonde nella tecnologia di posizionamento automatico delle fibre». SIMUTOOL abbina il solver elettromagnetico di ESI a trasferimento di calore ai solver per lo stampaggio a trasferimento di resina, aprendo nuovi campi di applicazione e migliorando la precisione delle analisi; è inoltre generalmente applicabile ai problemi del riscaldamento a microonde. La simulazione precisa dei problemi elettromagnetici su scala mista relativa ai compositi è realizzata mediante l’accoppiamento con un solver di proper generalised decomposition basato sul metodo degli elementi finiti (FEM).
Un’idea geniale oltre le aspettative
Stein riassume: «Usando la parallelizzazione e solver ottimizzati per superare le difficoltà associate alla massiccia quantità di dati, abbiamo dimostrato la fattibilità della simulazione a onda piena e a banda larga di grandi cavità a microonde a bassa perdita, qualcosa che prima non era possibile a causa dello sforzo di calcolo richiesto. La combinazione di questo con un modello parametrizzato per il controllo del processo in tempo reale è un risultato importante». Le prove sperimentali attuali dimostrano un risparmio energetico superiore al 50 %, ben oltre gli obiettivi iniziali del 30 % rispetto ai metodi convenzionali. In questo momento i risultati del progetto vengono sfruttati dai singoli partner e si sta lavorando a un progetto di fase 2 per migliorare il livello di maturità tecnologica. Gli orientamenti futuri prevedono l’accelerazione dei tempi di produzione e il miglioramento delle tecnologie digitali per adattarsi ulteriormente ai dettagli del processo. Il mercato globale dei compositi polimerici avanzati dovrebbe raggiungere un volume di 16,83 miliardi di dollari entro il 2025, spinto in gran parte dai settori aerospaziale e automobilistico. SIMUTOOL dovrebbe contribuire a realizzare prodotti ottimizzati in modo sostenibile e, al tempo stesso, sostenere più in generale l’uso della tecnologia a microonde.
Parole chiave
SIMUTOOL, composito, microonde, simulazione, elettromagnetico, energia, fabbricazione, resina, fibra, matrice, trasferimento di calore, stampaggio a trasferimento di resina, metodo degli elementi finiti, proper generalised decomposition
