Composites Manufacturing

i løbet af de sidste fire årtier har udnyttelsen af fiberforstærket plast (FRP) i ingeniørstrukturer været støt diversificeret fra sportsudstyr og højtydende racerbiler til helikoptere og senest kommercielle fly. Kompositmaterialer er i det væsentlige en kombination af to eller flere forskellige materialer, der bruges sammen for at kombinere de bedste egenskaber eller give et nyt sæt egenskaber, som ingen af bestanddelene kunne opnå alene. Ingeniørkompositter er typisk opbygget af individuelle lag, der tager form af kontinuerlige, lige fibre (f.eks. kulstof, glas, aramid osv.) indlejret i en værtspolymermatrice (f.eks. phenol, polyester, Epoksi etc.), som er lamineret lag for lag for at opbygge det endelige materiale/struktur.

med hensyn til fremstilling af avancerede fiberforstærkede kompositter er det vigtigste aspekt at erkende, at materialet og strukturen skabes på samme tid. Følgelig påvirker eventuelle fejl, der induceres under fremstillingsprocessen, direkte styrken og stivheden af materialet og strukturen. Hver lille detalje er vigtig.

et stort antal sammensatte fremstillingsprocesser er blevet udviklet i løbet af de sidste 40 år, herunder: kontaktstøbning, kompressionsstøbning, vakuumpose / autoklavestøbning, rotationsstøbning, harpiksoverførselsstøbning (RTM), båndindpakning, filamentvikling, pultrusion, ekspanderende blærestøbning osv. Alle disse processer har flere egenskaber til fælles; forstærkningerne bringes i den krævede form i et værktøj eller en form, harpiks og fibre samles muligvis under forhøjet temperatur og tryk for at hærde harpiksen, og støbningen fjernes fra delen, når harpiksen er hærdet. De forskellige fabrikationsteknikker kan enten klassificeres som direkte processer (f.eks. RTM, pultrusion, kontaktstøbning), der bruger separate fibre og harpiks samlet ved støbepunktet eller indirekte processer, der bruger fibre, der er præimprægneret med harpiks (f.eks. vacumm taske / autoklave støbning, kompression støbning).

valget af fremstillingsprocessen vil naturligvis have en stor effekt på komponentens kvalitet, mekaniske egenskaber og fabrikationsomkostninger. Ifølge Potter (1996) kan en ideel proces defineres som at have:

1. høj produktivitet-korte cyklustider, lavt arbejdskraftindhold osv.
2. minimum materialeomkostninger – materialer med lav værditilvækst, lave omkostninger til opbevaring og håndtering af materiale
3. maksimal geometrisk fleksibilitet – formkompleksitet og størrelse på komponent
4. maksimal egenskabsfleksibilitet – rækkevidde af matricer, række forstærkningstyper, evne til at kontrollere mekaniske egenskaber og skræddersyede egenskaber
5. minimumskrav til efterbehandling – fremstilling af netform
6. pålidelig fremstilling af høj kvalitet – lave afvisningshastigheder, lav variabilitet osv.

der findes ingen fremstillingsproces, der samtidig kan opfylde alle disse krav; vigtigst af alt kan nogle af disse krav være gensidigt eksklusive. En sammenligning af de 5 mest almindelige processer er vist nedenfor.

sammenligning af sammensatte fremstillingsteknikker (1)

kontakt støbning

kontakt støbning skematisk (1)

dette er den ældste og mest primitive fremstillingsproces, men også den mest udbredte i hele verden. I kontakt støbeharpiks påføres manuelt på en tør forstærkning placeret på en værktøjsoverflade og kan sammenlignes med limning af vægpapir med en børste. Værktøjet og stoffet omsluttes derefter af en vakuumpose, og luften under posen fjernes for at hærde laminatet under atmosfærisk tryk. Da det påførte tryk imidlertid er relativt lavt, og hærdning typisk forekommer ved stuetemperatur, er volumenfraktionen af forstærkning begrænset til den naturlige pakningstæthed. Desuden er kvaliteten helt afhængig af arbejdsstyrkens dygtighed, og på grund af vanskelighederne med pålideligt at garantere laminater af høj kvalitet er det næsten umuligt at kvalificere kontaktstøbte strukturelle komponenter til kommercielle fly. Endelig på grund af det begrænsede ydre tryk er tomrum vanskeligt at kontrollere, hvilket har en stor effekt på variabiliteten i tykkelsen af laminater.

Plastforstærket skib (2)

på den anden side er processen meget fleksibel, ideel til engangsproduktion og kræver minimal infrastruktur. Mens kontaktstøbning er en valgproces for meget store strukturer, er den geometriske fleksibilitet mere begrænset med hensyn til at skabe dele med fine detaljer, hjørneradier osv. Af denne grund anvendes processen i vid udstrækning i glasfibre / polyesterharpiks skibsbygning og til svævefly.

Vac. Bag / autoklave

Prepreg Layup til autoklave Kur (1)

i avancerede kompositter er autoklaveprocesser langt den mest anvendte, og autoklavestøbning er den valgte proces for luftfartsindustrien. Disse processer bruger præimprægnerede ensrettede lag eller vævede klude, som er delvist hærdet eller beta-iscenesat. En ulempe er, at pre-preg skal opbevares i en fryser for at forhindre, at harpiksen går af. Flere prepreg-lag lægges ned på en værktøjsoverflade med de foruddefinerede fiberretninger for at opbygge den krævede tykkelse og dækkes derefter med en frigivelsesfilm, pustestof og en vakuumpose eller siliciumtrykpose. Luften trækkes ud af posen for at skabe et vakuum, og værktøjet opvarmes under forhøjet temperatur og tryk for at hærde harpiksen. I princippet udføres flere afformningscyklusser ved at dække laminatet og påføre et vakuum efter hvert 3-4 lag lag for at fjerne overskydende luft mellem lagene. Dette reducerer bulkfaktoren og hjælper med at forhindre delaminationer mellem lag og styrer tykkelsesdimensionen. Regelmæssige afformningscyklusser og tilstrækkeligt hydrostatisk tryk på delen under hærdning er de to grundlæggende krav for at opnå gode lister. Produktiviteten af autoklavestøbning er generelt ret lav, da de manuelle lag -, sække-og afformningscyklusser bruger betydelig arbejdskraft og tid. Endvidere er kapitaludgifterne til autoklaver enorme, hvilket begrænser dets anvendelse til større strukturer, hvor disse udgifter er berettigede. Da pre-preg ikke længere er i en lav værditilvækst, er materialomkostningerne også højere.

Honeycomb smørrebrød med Pre-preg til autoklave Kur (1)

Geometrisk fleksibilitet i både form og størrelse er bedre end for de fleste processer. For nylig har det været muligt at fremstille hele gulvet i en helikopter i et stykke, hvilket ikke ville være muligt med en metallisk tilgang. Autoklave lister bruges ofte sammen med honeycomb kerner således at meget lette komponenter kan fremstilles. Dette er en af grundene til, at dominans af autoklave lister synes meget sandsynligt at fortsætte i den nærmeste fremtid, i det mindste i luftfartsmiljøet.

Filamentvikling

skematisk af Filamentviklingsprocessen (1)

ved filamentvikling føres et træk af fibre gennem et bad af harpiks og vikles på en roterende dorn ved at krydse i længderetningen langs den roterende dorn. Medmindre der anvendes klæbrige forimprægnerede fiberblæsere, skal stien, der følges af slæbebåndet, nøje følge en geodesisk sti (fiberbaner, der ikke får fibre til at glide, hvis de spændes). Enhver simpel spiralformet sti på en cylinder defineres som en geodesisk sti, men når krumning i to retninger er introduceret (f.eks. en klode) bliver antallet af mulige stier meget begrænset. Af denne grund er egenskabsfleksibilitet ret begrænset, således at filamentvikling typisk bruges til fremstilling af rørledninger, trykbeholdere og raketmotorer. Især er trykbeholdere befordrende for filamentvikling, da de har to klart definerede spændingsretninger (bøjlen og langsgående spændinger), der kan imødekommes af viklingsretningen.

en ulempe ved filamentvikling er, at dornen ofte er indesluttet i viklingen. Hvis en foring af metal eller polymer anvendes som en dorn, kan den danne en permanent del af strukturen, men det er mere almindeligt, at viklingen spaltes i enderne for at nedbryde delen. Den geometriske fleksibilitet er også begrænset af at skulle vikle rundt om cirkulære eller prismatiske lister. En stor fordel er, at processen egner sig til automatisering, således at cyklustider og lønomkostninger kan holdes lave med høj pålidelighed og kvalitet. Sidstnævnte aspekt er en af grundene til, at der gøres en indsats for at udvide processens geometriske grænser og mulige anvendelser.

harpiks overførsel støbning (RTM)

skematisk af harpiks overførsel støbning proces (1)

RTM kan ikke betragtes som en enkelt proces, men betragtes bedre som en “fremstillingsfilosofi, hvor harpiksen og fibrene holdes adskilt indtil sidste øjeblik” (Potter, 1996). Imidlertid har alle procesvariationer de fælles træk ved at holde uforarbejdede fibre i et lukket værktøjshulrum med et differenstryk påført en tilførsel af harpiks, således at harpiksen trænger ind i forstærkningen. Værktøjet kan være stift eller indeholde fleksible elementer. Konsolideringstrykket på værktøjet påføres ved hjælp af mekaniske klemmer, en værktøjspresse eller brugen af internt vakuum og definerer den opnåede volumenfraktion af fiber med hensyn til harpiks. RTM er blevet brugt siden 1970 ‘ erne til at bygge radomer såvel som aeroengine kompressorblade. Hoveddriveren bag yderligere udvikling af RTM-processer er at udtænke fabrikationsmetoder, der kan overvinde de geometriske kompleksitetsbegrænsninger, der pålægges af autoklave lister. Med hensyn til produktivitetscyklusser er tiderne lavere end de fleste andre processer, og i bilindustrien fremstilles små komponenter inden for få minutter.

Automotive Panel fremstillet via RTM

en stor fordel ved RTM er brugen af materialer med lav merværdi (tørre fibre og harpikser med lav viskositet), som ikke skal opbevares i frysere, hvilket reducerer materiale-og håndteringsomkostninger. De største fordele ved RTM ligger dog inden for deres geometriske og egenskabsfleksibilitet. RTM kan bruges med ud-syede klude, vævede stoffer og 3D-stoffer, og harpiksinjektionen kan varieres for at kontrollere volumenfraktionen og dermed komponentens stivhed og styrke. Desuden fremstilles små komponenter med meget fine detaljer på stift metalværktøj, mens større komponenter kan produceres på fleksible forme. Endelig er det med en tæt kontrolleret proces muligt at skabe netformede lister med minimale efterbehandlingskrav. Men alt dette kommer på bekostning af en lidt vanskeligere produktionsteknik. For at garantere komponenter af høj kvalitet skal harpiksindsprøjtningen og harpiksstrømmen kontrolleres nøje, således at al armeringen er lige så befugtet. Dette kræver ganske avancerede væskedynamiksimuleringer og omfattende test for at komme med en formform, der tillader jævn harpiksstrøm til alle dele af komponenten.

Pultrusion

skematisk af Pultrusion proces (1)

i denne proces trækkes fibre fra en creelplade og føres gennem et harpiksbad for at imprægnere fibrene med harpiks. De imprægnerede fibre føres derefter gennem en præform for at fjerne overskydende harpiks og for at præforme den omtrentlige endelige form. Hærdningsformen indtastes derefter, som tager form af det endelige krævede tværsnit af den pultruderede del. Hærdningsdysen anvender varme på komponenten for at konsolidere harpiksen, og den hærdede, formede profil trækkes fra matricen under spænding. Det betyder, at produktiviteten kan være meget høj i en løbende produktion, men vil falde for lavere produktionsmængder, der kræver ændringer i nye tværsnit dør. Da driften er automatiseret, er arbejdsomkostningerne lave, og komponenternes pålidelighed og kvalitet er høj. Processen er generelt begrænset til konstante tværsnitskomponenter, hvilket i høj grad begrænser applikationer. Pultrusion er blevet brugt meget lidt i luftfartsmiljøer, men har fundet anvendelse i fremstilling af standardiserede profilbjælker til anlægsstrukturer.

automatiserede processer

brugen af robotik i kompositproduktion vokser hurtigt og er sandsynligvis den mest lovende teknologi for fremtiden. Åbenlyse fordele ved at automatisere fremstillingsprocessen inkluderer reduceret variation i dimensioner og mindre produktionsfejl. Derudover kan fodermaterialet anvendes mere effektivt, og arbejdskraftomkostningerne reduceres. En lovende klasse af system er de såkaldte automatiserede Fiberplaceringsmaskiner (AFP), der bruger et robotfiberplaceringshoved, der aflejrer flere præimprægnerede blår af “spaltebånd”, der muliggør skæring, fastspænding og genstart af hvert enkelt slæb. Mens robothovedet følger en bestemt fiberbane, opvarmes slæbebåde kort før aflejring og komprimeres derefter på underlaget ved hjælp af en speciel rulle. På grund af den nuværende robotteknologis høje troskab kan AFP-maskiner give høj produktivitet og håndtere komplekse geometrier. Aktuelle anvendelser inkluderer fremstilling af Boeing 787 skrog og vikling af firkantede kasser, der derefter spaltes i længderetningen for at fremstille to ‘C’ sektioner til vingespind. Integrerede produktionssystemer som designet af virksomheder som ElectroImpact tilbyder spændende nøglefærdige muligheder for fremtidige flystrukturer. Disse systemer kombinerer flere fremstillingsprocesser, for eksempel fiberplacering og additivfremstilling på et robothoved, og letter derfor produktionen af blandede og integrerede strukturer med færre samlinger og forbindelser. Disse systemer vil også give ingeniører mulighed for at designe mere effektive strukturer, såsom integrerede ortogrid-eller isogrid-kompositpaneler, der i øjeblikket er svære at fremstille økonomisk i stor skala.

Filament Sår Boeing 787 Skrog (3)