Manufacturing of Polymer Nanocomposites by CRTM: Methods and Tools for the Optimal Process Design

The market of composite materials is rapidly growing, especially due to the interest of the automotive sector in using lightweight materials, such as carbon fibres, to increase the fuel efficiency of the cars. One of the most promising manufacturing processes is the CRTM as it allows to obtain highperformance components containing investment costs. Indeed, the process requires low pressure for the injection of the liquid resin through the fiber thanks to a gap present over the carbon fiber preform that allows the resin to easily reach every part of the mold. Another aspect worth of attention is the possibility of using nanofillers in addition to the matrix in order to improve the properties of the finished laminates. These properties encompass the mechanical, the thermal, the electrical and the damping behaviour. The use of these nanofillers dispersed in the matrix is possible thanks to the low pressure involved in this process. Methods for the design of molds and ancillary equipment for this process are not present in the literature. Also the presence of nanofillers in the matrix used for the CRTM has not been fully addressed in the state of the art and some uncertainties about the processability and the properties of these nano-additivated matrices are still present. The research goals could be synthesized as the development of methods and tools for the design of molds and ancillary equipment for the CRTM if nanoadditivated matrices are used. Moreover, the correlation between process parameters and performances of the products has been analysed. This research work would represent a step towards the adoption of the CRTM process on an industrial scale for producing high performance CFRP components in a cost/time-effective way. The proposed methods and tools can represent the way to increase the adoption of CRTM process based on nano-additivated matrices in the automotive market. In order to verify the feasibility and the reliability of such tools, different case studies have been conducted with the aim of validate the chosen design methods. The developed systems have been designed taking into account the three fundamental constraints of the process engineering: manufacturing time, manufacturing costs and performances of the products.

Il mercato dei materiali compositi è in rapida crescita, soprattutto a causa dell'interesse del settore automobilistico nell'utilizzo di materiali leggeri, come le fibre di carbonio, per aumentare il consumo di carburante delle auto ed aumentarne l’autonomia. Uno dei processi di produzione più promettenti è il CRTM in quanto consente di ottenere componenti ad alte prestazioni limitando i costi di investimento. Infatti, il processo richiede una bassa pressione per l'iniezione della resina liquida attraverso le fibre grazie a un gap presente sopra la preforma in fibra di carbonio che consente alla resina di raggiungere facilmente ogni parte dello stampo. Un altro aspetto degno di attenzione è la possibilità di utilizzare nanocariche disperse nella matrice per migliorare le proprietà dei laminati finiti. Queste proprietà comprendono il comportamento meccanico, termico, elettrico e di smorzamento. Metodi per la progettazione di stampi e attrezzature per il CRTM non sono presenti in letteratura. Anche la dispersione di nanocariche nella matrice utilizzata per il CRTM non è stata completamente affrontata nello stato dell'arte e sono ancora presenti alcune incertezze sulla processabilità e sulle proprietà di queste matrici nano-additivate. Gli obiettivi di ricerca potrebbero essere sintetizzati come lo sviluppo di metodi e strumenti per la progettazione di stampi e attrezzature ausiliarie per il CRTM se si utilizzano matrici nanocaricate. Inoltre, è stata analizzata la correlazione tra i parametri di processo e le prestazioni dei prodotti. Questo lavoro di ricerca rappresenterebbe un passo verso l'adozione del processo CRTM su scala industriale per la produzione di componenti CFRP ad alte prestazioni in modo economicamente vantaggioso. I metodi e gli strumenti proposti possono rappresentare il modo per aumentare l'adozione del processo CRTM basato su matrici nano-additivate nel mercato automobilistico. Al fine di verificare la fattibilità e l'affidabilità di tali strumenti sono stati condotti diversi casi di studio per convalidare i metodi di progettazione scelti. I sistemi sviluppati sono stati progettati tenendo conto dei tre vincoli fondamentali dell'ingegneria di processo: tempi di produzione, costi di produzione e prestazioni dei prodotti.