Kompozitů na Výrobu

v Průběhu posledních čtyř desetiletí využívání fibre-vyztužené plasty (FRP) v inženýrských staveb se stále diverzifikaci od sportovních zařízení a vysoce výkonné závodní vozy, vrtulníky a v poslední době komerční letouny. Kompozitní materiály jsou v podstatě kombinací dvou nebo více rozdílných materiálů, které jsou použity společně, aby kombinovat nejlepší vlastnosti, nebo dodávají novou sadu vlastností, že ani jeden z materiálů, může dosáhnout na vlastní pěst. Inženýrské kompozity jsou obvykle sestaveny z jednotlivých vrstev, které mají formu spojitých, přímých vláken (např. uhlík, sklo, aramid atd.) vložené do hostitelské polymerní matrice (např. fenolické, polyesterové, epoxidové atd.), které jsou vrstvené vrstvy po vrstvě, aby se vytvořil konečný materiál/struktura.

V oblasti výroby pokročilých vláknových kompozitů nejdůležitější aspekt, aby rozpoznat je, že materiál a konstrukce jsou vytvořeny ve stejné době. V důsledku toho jakékoli vady, které jsou vyvolány během výrobního procesu, přímo ovlivňují pevnost a tuhost materiálu a struktury. Každý malý detail je důležitý.

za posledních 40 let bylo vyvinuto velké množství kompozitních výrobních procesů, včetně: kontaktní lití, lisování, vakuové pytle/autoklávu lití, rotační lití, pryskyřice přenosu lití (RTM), páska balení, navíjení vláken, pultruze, expandující močového měchýře lití atd. Všechny tyto procesy mají několik vlastností společných; jsou posily přivedl do požadovaného tvaru v nástroj nebo plísně, pryskyřice a vláken jsou sdruženy případně za zvýšené teploty a tlaku k vytvrzení pryskyřice a tvarování odstraněny z části jednou pryskyřice se vytvrdí. Různé výrobní techniky mohou být buď klasifikovány jako přímé procesy (např. RTM, pultruzí, kontaktní lišta), které používají oddělené vlákna a pryskyřice se sešli v místě tvarování nebo nepřímé procesy, které používají vlákna pre-impregnované pryskyřicí (např. vacumm bag / autoklávové lisování, lisování).

výběr výrobního procesu bude mít přirozeně velký vliv na kvalitu, mechanické vlastnosti a výrobní náklady komponenty. Podle Pottera (1996) lze ideální proces definovat jako mající:

1. vysoká produktivita-krátké doby cyklu, nízký obsah práce atd.
2. Minimální materiálů náklady – nízké přidané materiály, nízká materiálu, skladování a manipulaci náklady
3. Maximální geometrické flexibilita – tvar složitosti a velikosti součásti
4. Maximální majetku flexibilitu – rozsah matric, rozsah výztuže typy, schopnost ovládat mechanické vlastnosti a přizpůsobit vlastnosti
5. Minimální dokončovací požadavky – čistý tvar výrobní
6. Spolehlivé a vysoká kvalita výroby – nízké odmítnout sazby, nízké variability atd.

Ne výrobní proces existuje, které mohou současně plnit všechny tyto požadavky, a co je nejdůležitější některé z těchto požadavků mohou být vzájemně exkluzivní. Porovnání 5 nejběžnějších procesů je uvedeno níže.

Srovnání Kompozitních Výrobní Techniky (1)

Kontaktní Lištou

Kontaktní Schéma Tvarování (1)

je To nejstarší a nejprimitivnější výrobní proces, ale také nejvíce široce používán po celém světě. V kontaktu formovací pryskyřice, je ručně aplikován na suché výztuže umístěné na nástroj povrch a může být v porovnání k lepení papíru zeď s kartáčem. Nástroj a tkanina jsou pak uzavřeny vakuovým vakem a vzduch pod vakem odstraněn, aby se laminát vytvrdil pod atmosférickým tlakem. Protože je však aplikovaný tlak relativně nízký a k vytvrzení obvykle dochází při pokojové teplotě, objemový podíl výztuže je omezen na přirozenou hustotu balení. Kromě toho, kvalita je zcela závislá na zručnosti pracovní síly, a vzhledem k obtížnosti spolehlivě zaručí vysoce kvalitní lamináty je téměř nemožné, aby nárok, kontaktujte boční strukturálních dílů pro komerční letadla. Konečně, vzhledem k omezenému vnějšímu tlaku je obtížné kontrolovat prázdnotu, což má velký vliv na variabilitu tloušťky laminátů.

HMS Wilton Plastové Vyztužené Loď (2)

Na druhou stranu proces je vysoce flexibilní, ideální pro one-off-produkce a vyžaduje minimální infrastruktury. Zatímco kontaktní lití je proces volby pro velmi velké struktury, geometrická flexibilita je více omezena, pokud jde o vytváření dílů s jemnými detaily, poloměry rohů atd. Z tohoto důvodu proces je široce používán v laminát/polyesterové pryskyřice stavbu lodí a pro kluzáky.

Vac. Taška/Autoklávu

Prepregu Layup pro Autokláv Lék (1)

V pokročilých kompozitů sterilizačních procesů jsou zdaleka nejrozšířenější a autoklávu lití je proces výběru pro letecký průmysl. Tyto procesy používají předem impregnované jednosměrné vrstvy nebo tkané tkaniny, které byly částečně vytvrzeny nebo beta-inscenovány. Jeden nevýhodou je, že pre-preg musí být uchovávány v mrazáku, aby se zabránilo pryskyřice z děje-off. Více vrstev prepregu jsou stanoveny na nástroj povrch s předem definovanou orientací vláken, vybudovat požadované tloušťky, a pak pokryta krycím filmem, odvzdušňovací tkanina a vakuové pytle nebo silicon tlak tašku. Vzduch je nasáván z vaku, aby se vytvořil podtlak a nástroj se zahřívá za zvýšené teploty a tlaku k vytvrzení pryskyřice. V zásadě se provádí více demouldingových cyklů zakrytím laminátu a nanesením vakua po každých 3-4 vrstvách, aby se odstranil přebytečný vzduch mezi vrstvami. To snižuje objemový faktor a pomáhá předcházet delaminacím mezi vrstvami a řídí rozměr tloušťky. Pravidelné odlamovací cykly a dostatečný hydrostatický tlak na dílu během vytvrzování jsou dva základní požadavky pro dosažení dobrých výlisků. Produktivita lití v autoklávu je obecně poměrně nízká, protože ruční cykly pokládání, pytlování a demontáže spotřebovávají značnou práci a čas. Furtermore, kapitálové výdaje autoklávů jsou enormní, což omezuje jeho použití na větší struktury, kde jsou tyto výdaje oprávněné. Vzhledem k tomu, že pre-preg již není ve stavu s nízkou přidanou hodnotou, náklady na materiál jsou také vyšší.

Voštinový Sendvič s Pre-preg pro Autokláv Lék (1)

Geometrické flexibilitu v obou velikost a tvar jsou lepší než u většiny procesů. Nedávno bylo možné vyrobit celé patro vrtulníku v jednom kuse, což by nebylo možné s kovovým přístupem. Autoklávové lišty se často používají ve spojení s voštinovými jádry, takže lze vyrábět velmi lehké komponenty. To je jeden z důvodů, proč se zdá, že dominance výlisků autoklávu bude v blízké budoucnosti pokračovat, alespoň v leteckém prostředí.

Navíjení Vláken

Schéma Navíjení Vláken Proces (1)

V navíjení vláken, tažné vláken prochází vana pryskyřice a rány na otáčivé trnu pojížděním podélně podél osy rotujícího trnu. Pokud laciné pre-impregnovaná vlákna, kabílky jsou použity cestě následuje tažení musí pozorně sledovat geodesic path (optických cest, které nezpůsobují vláken do skluzu, pokud dodatečně). Každá jednoduchá spirálová dráha na válci je definována jako geodetická dráha, ale jakmile je zavedeno zakřivení ve dvou směrech (např. Z tohoto důvodu majetku flexibilita je spíše omezena tak, že pro navíjení vláken, se obvykle používá pro výrobu potrubí, tlakových nádob a rakety motory. Zejména tlakové nádoby vedou k navíjení vláken, protože mají dva jasně definované směry napětí (obruč a podélná napětí), které mohou být přizpůsobeny směru navíjení.

jednou z nevýhod navíjení vláken je to, že trn je často uzavřen uvnitř vinutí. Pokud je vložka z kovu nebo polymeru se používá jako trn může tvořit trvalou součástí struktury, ale je běžnější, že vinutí je štěrbina-off na koncích demould část. Geometrická flexibilita je také omezena tím, že se musí navíjet kolem kruhových nebo hranolových výlisků. Jednou z hlavních výhod je, že proces se hodí k automatizaci tak, aby doby cyklu a mzdové náklady mohly být udržovány na nízké úrovni s vysokou spolehlivostí a kvalitou. Tento druhý aspekt je jedním z důvodů, proč se vyvíjí úsilí o rozšíření geometrických limitů procesu a možných aplikací.

Resin Transfer Moulding (RTM)

Schéma Resin Transfer Moulding Process (1)

RTM nelze považovat jako jeden proces, ale je lepší považovat za “výrobní filozofie, v níž pryskyřice a vlákna jsou drženy od sebe až do poslední chvíle” (Potter, 1996). Nicméně, celý proces změny mají společné rysy držení unresinated vláken v uzavřeném nástroj dutiny s diferenční tlak aplikován na dodávky pryskyřice tak, že pryskyřice proniká do výztuže. Nástroj může být tuhý nebo může obsahovat pružné prvky. Konsolidační tlak na nástroj je aplikován pomocí mechanických svorek, nástrojového lisu nebo použití vnitřního vakua a definuje dosažený objemový podíl vlákna vzhledem k pryskyřici. RTM se používá od roku 1970 do vybudování anténních kopulí, stejně jako letecké motory lopatky kompresoru. Hlavní hnací silou dalšího rozvoje RTM procesů je navrhnout výrobní metody, které mohou překonat geometrické složitosti omezení uložená autoklávu lišty. Z hlediska cyklů produktivity jsou časy nižší než většina ostatních procesů a v automobilovém průmyslu se malé komponenty vyrábějí během několika minut.

Automobilový Panel Vyroben pomocí RTM

hlavní výhodou RTM je použití nízkou přidanou hodnotou materiálů (suchých vláken a nízkou viskozitu pryskyřice), které nemají být uchovávány v mrazničkách, což snižuje materiálu a manipulační náklady. Hlavní výhody RTM však spočívají v jejich geometrické a majetkové flexibilitě. RTM může být použit s UD šité ubrusy, tkaniny a 3D tkaniny a pryskyřice injekce může být různé pro ovládání hlasitosti zlomek, a tudíž tuhost a pevnost součásti. Kromě toho se malé komponenty s velmi jemnými detaily vyrábějí na tuhých kovových nástrojích, zatímco větší komponenty lze vyrábět na pružných formách. Konečně, s pečlivě kontrolovaným procesem je možné vytvořit výlisky ve tvaru sítě s minimálními požadavky na konečnou úpravu. To vše však přichází za cenu mírně složitější výrobní techniky. Aby se zaručily vysoce kvalitní komponenty, musí být vstřikování pryskyřice a tok pryskyřice pečlivě kontrolovány tak,aby veškerá výztuž byla stejně navlhčena. To vyžaduje poměrně pokročilé simulace dynamiky tekutin a rozsáhlé testování, aby se přijít s plísní tvar, který umožňuje i tok pryskyřice do všech částí součásti.

Pultruzí

Schéma Pultruzí Proces (1)

V tomto procesu vlákna jsou čerpány z creel rady a prošel pryskyřice vana pro impregnaci vláken s pryskyřicí. Impregnovaných vláken jsou pak prošel přes pre-zemřít na odstranění přebytečné pryskyřice a pre-tvoří přibližně konečný tvar. Poté je zadána vytvrzovací matrice, která má tvar konečného požadovaného průřezu pultrudované části. Vytvrzovací matrice aplikuje teplo na komponentu pro konsolidaci pryskyřice a vytvrzený, tvarovaný profil je vytažen z matrice pod napětím. To znamená, že produktivita může být v probíhající výrobě velmi vysoká, ale bude klesat kvůli nižším objemům výroby, které vyžadují změny nových průřezů. Vzhledem k tomu, že provoz je automatizovaný, náklady na pracovní sílu jsou nízké a spolehlivost a kvalita komponentů je vysoká. Proces je obecně omezen na komponenty konstantního průřezu, což značně omezuje aplikace. Pultruze se v leteckém prostředí používá jen velmi málo, ale našla uplatnění při výrobě standardizovaných profilových nosníků pro stavební konstrukce.

Automatizované Procesy

využití robotiky v kompozitní výrobě roste rychlým tempem a je pravděpodobně nejvíce perspektivní technologie pro budoucnost. Mezi zjevné výhody automatizace výrobního procesu patří snížená variabilita rozměrů a menší výrobní vady. Kromě toho lze krmnou surovinu použít efektivněji a snížit náklady na pracovní sílu. Jedním ze slibných třídě systému jsou tzv. Automatické Vlákna Umístění (AFP) stroje, které používají robotické vlákna umístění hlavy, že vklady více pre-impregnované kabílky “štěrbina-páska”, umožňující řezání, upínání a restartování každý vlek. Zatímco robotická hlava sleduje specifickou cestu vláken, vleky se zahřívají krátce před nanesením a poté se pomocí speciálního válečku zhutní na podklad. Vzhledem k vysoké věrnosti současné robotické technologie mohou stroje AFP poskytovat vysokou produktivitu a zpracovávat složité geometrie. Aktuální aplikace zahrnují výrobu Boeingu 787 trupu a vinutí z hranatých krabic, které jsou pak rozřízl podélně, aby se dva ” C ” profily pro nosníky křídla. Integrované výrobní systémy navržené společnostmi, jako je ElectroImpact, nabízejí vzrušující možnosti na klíč pro budoucí letecké konstrukce. Tyto systémy kombinovat více výrobních procesů, například vlákna umístění a aditivní výroby na jednoho robota hlavy, a proto usnadňuje výrobu smíšené a integrované struktury s menším počtem spojů a spojení. Tyto systémy také umožňují inženýrům navrhovat efektivnější struktury, jako jsou integrované orthogrid nebo isogrid kompozitní panely, které jsou v současné době těžko k výrobě ekonomicky ve velkém měřítku.

Filament Wound Boeing 787 Trup (3)