Composites Manufacturing

viimeisten neljän vuosikymmenen aikana kuituvahvisteisten muovien (FRP) hyödyntäminen teknisissä rakenteissa on tasaisesti monipuolistunut urheiluvälineistä ja korkean suorituskyvyn kilpa-autoista helikoptereihin ja viimeisimpänä kaupallisiin lentokoneisiin. Komposiittimateriaaleilla tarkoitetaan pääasiassa kahden tai useamman erilaisen materiaalin yhdistelmää, joita käytetään yhdessä parhaiden ominaisuuksien yhdistämiseksi tai sellaisten uusien ominaisuuksien luomiseksi, joita kumpikaan valmistusaineista ei voi saavuttaa yksinään. Engineering komposiitit ovat tyypillisesti rakennettu-up yksittäisten plies, jotka ovat muodossa jatkuva, suora kuidut (esim. hiili, lasi, aramidi jne.) upotettu isäntäpolymeerimatriisiin (esim. fenoli, Polyesteri, epoksi jne.), jotka laminoidaan kerros kerrokselta lopullisen materiaalin / rakenteen rakentamiseksi.

kehittyneiden kuituvahvisteisten komposiittien valmistuksessa tärkein yksittäinen seikka on se, että materiaali ja rakenne syntyvät samanaikaisesti. Näin ollen kaikki valmistusprosessin aikana aiheutuneet viat vaikuttavat suoraan materiaalin ja rakenteen lujuuteen ja jäykkyyteen. Jokainen yksityiskohta on tärkeä.

viimeisten 40 vuoden aikana on kehitetty suuri määrä komposiittien valmistusprosesseja, mm.: kontaktimuovaus, puristusmuovaus, tyhjiöpussi/Autoklaavi muovaus, rotaatiomuovaus, hartsinsiirtomuovaus (RTM), nauha kääre, hehkulangan käämitys, pultruusio, laajeneva rakkomuovaus jne. Kaikilla näillä prosesseilla on useita yhteisiä ominaisuuksia; vahvisteet saatetaan vaadittuun muotoon työkalussa tai muotissa, hartsi ja kuidut saatetaan yhteen mahdollisesti korkeassa lämpötilassa ja paineessa hartsin kovettamiseksi ja muotti poistetaan osasta hartsin kovettumisen jälkeen. Eri valmistustekniikat voidaan joko luokitella suoriksi prosesseiksi (esim. RTM, pultruusio, kosketusmuovaus) , joissa käytetään erillisiä kuituja ja hartsia, jotka kootaan yhteen muottipisteessä tai epäsuorissa prosesseissa, joissa käytetään hartsilla esikyllästettyjä kuituja (esim. vacumm laukku/Autoklaavi muovaus, puristusmuovaus).

valmistusprosessin valinnalla on luonnollisesti suuri vaikutus komponentin laatuun, mekaanisiin ominaisuuksiin ja valmistuskustannuksiin. Mukaan Potter (1996) ihanteellinen prosessi voidaan määritellä ottaa:

1. korkea tuottavuus-lyhyet suhdanneajat, Alhainen työvoimasisältö jne.
2. vähimmäismateriaalikustannukset-vähäarvoiset materiaalit, alhaiset materiaalin varastointi-ja käsittelykustannukset
3. Enimmäisgeometrinen joustavuus – komponentin muodon monimutkaisuus ja koko
4. ominaisuuksien Enimmäisjoustavuus-matriisien valikoima, raudoitustyyppien valikoima, kyky hallita mekaanisia ominaisuuksia ja räätälöidä ominaisuuksia
5. vähimmäisviimeistelyvaatimukset-net-muodon valmistus
6. luotettava ja korkealaatuinen valmistus-alhaiset hylkäysprosentit, alhainen vaihtelu jne.

ei ole olemassa valmistusprosessia, joka voisi samanaikaisesti täyttää kaikki nämä vaatimukset; mikä tärkeintä, jotkin näistä vaatimuksista voivat olla toisensa poissulkevia. Vertailu 5 yleisintä prosessia on esitetty alla.

Komposiittivalmistustekniikoiden Vertailu(1)

Kosketusmuovaus

Kosketusmuovauskaavio (1)

tämä on vanhin ja alkeellisin valmistusprosessi, mutta myös eniten käytetty ympäri maailmaa. Kosketusmuovauksessa hartsi levitetään käsin kuivalle vahvisteelle, joka asetetaan työkalun pinnalle ja sitä voidaan verrata siveltimellä liimattavaan seinäpaperiin. Työkalu ja kangas suljetaan sitten tyhjiöpussilla ja ilma pussin alla poistetaan laminaatin parantamiseksi ilmanpaineessa. Koska käytetty paine on kuitenkin suhteellisen alhainen ja kovettuminen tapahtuu tyypillisesti huoneenlämmössä, vahvikkeen tilavuusosuus rajoittuu luonnolliseen pakkaustiheyteen. Lisäksi laatu on täysin riippuvainen työvoiman ammattitaidosta, ja koska korkealaatuisten laminaattien takaaminen luotettavasti on vaikeaa, on lähes mahdotonta täyttää kaupallisten ilma-alusten kosketusmuovattuja rakenneosia. Lopuksi, koska rajallinen ulkoinen paine tyhjyys on vaikea hallita, mikä on suuri vaikutus vaihteluun paksuus laminaatit.

HMS Wilton Muovivahvisteinen alus (2)

toisaalta prosessi on erittäin joustava, ihanteellinen kertaluonteiseen tuotantoon ja vaatii minimaalista infrastruktuuria. Vaikka kosketusmuovaus on prosessi valinta hyvin suuria rakenteita geometrinen joustavuus on rajoitetumpi kannalta luoda osia, joissa on pieniä yksityiskohtia, kulma säteitä, jne. Tästä syystä prosessia käytetään laajasti lasikuitu / polyesterihartsi laivanrakennuksessa ja purjelentokoneissa.

Vac. Pussi / Autoklaavi

Prepreg Layup Autoklaavi hoito (1)

kehittyneissä komposiiteissa autoklaaviprosessit ovat ylivoimaisesti yleisimmin käytettyjä ja autoklaavivalu on ilmailuteollisuuden valinta. Näissä prosesseissa käytetään valmiiksi kyllästettyjä yksisuuntaisia lankoja tai kudottuja liinoja, jotka on osittain kovetettu tai beta-lavastettu. Yksi haitta on se, että pre-preg on säilytettävä pakastimessa, jotta pihka ei pääse irtoamaan. Useita prepregejä asetetaan työkalupinnalle, jossa on ennalta määritellyt kuitusuuntaukset, tarvittavan paksuuden muodostamiseksi, ja sitten ne peitetään irrotuskalvolla, hengityssuojakankaalla ja tyhjiöpussilla tai piipainepussilla. Ilma vedetään ulos pussista luoda tyhjiö ja työkalu kuumennetaan korkeassa lämpötilassa ja paineessa parantaa hartsi. Periaatteessa useita demoulding syklit suoritetaan peittämällä laminaatti ja soveltamalla tyhjiö jokaisen 3-4 kerrosta, jotta voidaan poistaa ylimääräinen ilma kerrosten välillä. Tämä vähentää irtotavarana tekijä ja auttaa estämään delaminations välillä ilmojen ja ohjaa paksuus ulottuvuus. Säännölliset demoulding syklit ja riittävä hydrostaattinen paine osa kovettumisen aikana ovat kaksi perusvaatimusta saavuttaa hyvä listat. Autoklaavivalun tuottavuus on yleensä melko alhainen, koska manuaalinen lay-up, pussitus ja demoulding syklit kuluttavat merkittävästi työtä ja aikaa. Lisäksi autoklaavieninvestoinnit ovat enourmous, mikä rajoittaa sen käyttöä suurempiin rakenteisiin, joissa nämä menot ovat perusteltuja. Koska preg ei ole enää alhaisen jalostusarvon tilassa, myös materiaalikustannukset ovat korkeammat.

hunajakenno voileipä Pre-preg Autoklaavi parannuskeinoa (1)

Geometrinen joustavuus sekä muodoltaan että kooltaan on parempi kuin Useimmissa prosesseissa. Viime aikoina on ollut mahdollista valmistaa helikopterin koko lattia yhtenä kappaleena, mikä ei olisi mahdollista metallisella lähestymisellä. Autoklaavilistoja käytetään usein yhdessä hunajakennoydinten kanssa siten, että voidaan valmistaa erittäin kevyitä komponentteja. Tämä on yksi syy siihen, miksi autoklaavilistojen valta-asema näyttää hyvin todennäköisesti jatkuvan lähitulevaisuudessa, ainakin ilmailuympäristössä.

hehkulangan käämitys

kaavio hehkulangan Käämitysprosessista (1)

kuidunkäämityksessä kuiduntouinti johdetaan hartsikylvyn läpi ja kiedotaan pyörivälle karalle kulkemalla pituussuunnassa pyörivän karan akselia pitkin. Ellei käytetä mauttomia esikyllästettyjä kuitukouruja, vetokoukun kulkureitin on seurattava tarkasti geodeettista reittiä (kuitupolkuja, jotka eivät kiristä kuituja). Mikä tahansa sylinterin yksinkertainen kierteinen polku määritellään geodeettiseksi poluksi, mutta kun kaarevuus kahteen suuntaan otetaan käyttöön (esim.Karttapallo), mahdollisten polkujen määrä tulee hyvin rajalliseksi. Tästä syystä omaisuuden joustavuus on melko rajoitettu siten, että hehkulangan käämitystä käytetään tyypillisesti putkistojen, paineastioiden ja rakettimoottoreiden valmistukseen. Erityisesti paineastiat edistävät hehkulangan käämitystä, koska niillä on kaksi selkeästi määriteltyä jännityssuuntaa (vanne ja pitkittäiset jännitykset), joihin käämityssuunta mahtuu.

yksi filamenttikäämityksen haitta on se, että kara on usein käämin sisällä. Jos Karana käytetään metallista tai polymeeristä tehtyä vuorausta, se voi muodostaa pysyvän osan rakenteesta, mutta on yleisempää, että käämi raotetaan päistä osan poistamiseksi. Geometrista joustavuutta rajoittaa myös se, että joutuu kiertämään ympyränmuotoisia tai prismamaisia listoja. Yksi merkittävä etu on se, että prosessi soveltuu automaatiolle niin, että sykliajat ja työvoimakustannukset voidaan pitää alhaisina erittäin luotettavasti ja laadukkaasti. Tämä jälkimmäinen näkökohta on yksi syy siihen, miksi prosessin geometrisia rajoja ja mahdollisia sovellutuksia pyritään laajentamaan.

Hartsinsiirtomuotti (RTM)

kaavamainen Hartsinsiirtomuovaus prosessi (1)

RTM: ää ei voida pitää yksittäisenä prosessina, vaan sitä pidetään paremmin “valmistusfilosofiana, jossa hartsi ja kuidut pidetään erillään aivan viime hetkeen asti” (Potter, 1996). Kaikille prosessivaihteluille on kuitenkin yhteistä se, että varauksettomat kuidut pidetään suljetussa työkaluontelossa siten, että hartsimäärään kohdistetaan paine-ero, että hartsi läpäisee raudoituksen. Työkalu voi olla jäykkä tai sisältää joustavia elementtejä. Työkaluun kohdistuva konsolidointipaine kohdistetaan mekaanisten puristimien, työkalupuristimen tai sisäisen tyhjiön avulla, ja se määrittää kuidun tilavuusosuuden suhteessa hartsiin. RTM: ää on käytetty 1970-luvulta lähtien kupujen sekä aeroengine-kompressoriterien rakentamiseen. Tärkein tekijä kehittää edelleen RTM prosesseja on suunnitella valmistus menetelmiä, jotka voivat voittaa geometrinen monimutkaisuus rajoituksia Autoklaavi listat. Tuottavuussyklien osalta ajat ovat alhaisemmat kuin useimmissa muissa prosesseissa, ja autoteollisuudessa pienet komponentit valmistetaan muutamassa minuutissa.

RTM: n kautta

valmistettu autoteollisuuden paneeli on RTM: n merkittävä etu, koska siinä käytetään vähän lisäarvoa tuottavia materiaaleja (kuivia kuituja ja alhaisen viskositeetin hartseja), joita ei tarvitse varastoida pakastimissa, mikä alentaa materiaali-ja käsittelykustannuksia. RTM: n suurimmat edut ovat kuitenkin niiden geometrisessa ja kiinteistöjen joustavuudessa. RTM voidaan käyttää UD ommeltu liinoja, kudotut kankaat ja 3D kankaat, ja hartsi injektio voidaan vaihdella hallita tilavuus osuus ja siten jäykkyys ja lujuus komponentin. Lisäksi pieniä komponentteja, joissa on erittäin hienoja yksityiskohtia, valmistetaan jäykällä metallityökalulla, kun taas suurempia komponentteja voidaan valmistaa joustavilla muoteilla. Lisäksi tarkasti valvotulla prosessilla on mahdollista luoda verkkomaisia listoja, joiden viimeistelyvaatimukset ovat minimaaliset. Kaikki tämä tulee kuitenkin kalliiksi hieman hankalammalla tuotantotekniikalla. Korkealaatuisten komponenttien takaamiseksi hartsin ruiskutusta ja hartsivirtausta on valvottava tarkasti niin, että kaikki raudoitukset kostuvat yhtä hyvin. Tämä vaatii varsin kehittyneitä virtausdynamiikan simulaatioita ja laajoja testauksia, jotta saadaan muotin muoto, joka mahdollistaa jopa hartsin virtauksen komponentin kaikkiin osiin.

Pultruusio

Pultruusioprosessin Kaavio (1)

tässä prosessissa kuidut otetaan kreelilevystä ja johdetaan hartsikylvyn läpi, jotta kuidut kyllästetään hartsilla. Kyllästetyt kuidut johdetaan tämän jälkeen esimuovin läpi ylimääräisen hartsin poistamiseksi ja lopullisen muodon esikäsittelemiseksi. Tämän jälkeen syötetään kovetusmuovi, joka saa pultrudoidun osan lopullisen vaaditun poikkileikkauksen muodon. Kovettuva kuolee koskee lämpöä komponentti lujittaa hartsi ja kovettunut, muotoinen profiili vedetään kuolee jännittyneenä. Tämä tarkoittaa, että tuottavuus voi olla erittäin korkea jatkuvassa tuotannossa, mutta se laskee pienemmillä tuotantomäärillä, jotka vaativat muutoksia uusiin poikkileikkausmuotteihin. Koska toiminta on automatisoitu työvoimakustannukset ovat alhaiset ja komponenttien luotettavuus ja laatu on korkea. Prosessi rajoittuu yleensä jatkuviin poikkileikkauskomponentteihin, mikä rajoittaa suuresti sovelluksia. Pultruusiota on käytetty hyvin vähän ilmailu-ja avaruusympäristöissä, mutta se on löytänyt sovelluksensa standardoitujen profiilipalkkien valmistuksessa maa-ja vesirakenteisiin.

automatisoidut prosessit

robotiikan käyttö komposiittien valmistuksessa kasvaa kovaa vauhtia ja on todennäköisesti tulevaisuuden lupaavin tekniikka. Valmistusprosessin automatisoinnin ilmeisiä etuja ovat pienentynyt mittojen vaihtelu ja vähemmän valmistusvirheitä. Lisäksi rehuainetta voidaan käyttää tehokkaammin ja työvoimakustannukset alenevat. Yksi lupaavista järjestelmäluokista ovat ns. automatisoidut kuitujen Sijoittelukoneet (AFP), joissa käytetään robottikuitujen sijoittelupäätä, joka tallettaa useita esikyllästettyjä “rakonauhaa”, joka mahdollistaa jokaisen hinauksen leikkaamisen, kiinnittämisen ja uudelleenkäynnistyksen. Vaikka robottipää seuraa tiettyä kuiturataa, ne lämmitetään vähän ennen laskeumaa ja sitten tiivistetään alustalle erityisellä telalla. Koska hifi nykyisen robottitekniikan AFP koneet voivat tarjota korkean tuottavuuden ja käsitellä monimutkaisia geometrioita. Nykyisiä käyttökohteita ovat Boeing 787: n rungon valmistus ja nelikulmaisten laatikoiden käämitys, jotka sitten halkaistaan pituussuunnassa, jotta saadaan kaksi C-lohkoa siipien spareja varten. Integrated manufacturing systems as designed by companies like ElectroImpact tarjoaa jännittäviä avaimet käteen-ominaisuuksia tuleville lentokoneiden rakenteille. Näissä järjestelmissä yhdistetään useita valmistusprosesseja, esimerkiksi kuitujen sijoittelu ja lisäaineiden valmistus yhdelle robottipäälle, ja siten helpotetaan sekoitettujen ja integroitujen rakenteiden tuotantoa, jossa on vähemmän liitoksia ja liitäntöjä. Näiden järjestelmien avulla insinöörit voivat myös suunnitella tehokkaampia rakenteita, kuten integroituja ortogrid-tai isogrid-komposiittilevyjä, joita on tällä hetkellä vaikea valmistaa taloudellisesti suuressa mittakaavassa.

Filament Wound Boeing 787: N Runko (3)