Composites Manufacturing

az elmúlt négy évtizedben a szálerősítésű műanyagok (FRP) mérnöki szerkezetekben történő kiaknázása folyamatosan diverzifikálódott a sporteszközöktől és a nagy teljesítményű versenyautóktól a helikopterekig és legutóbb a kereskedelmi repülőgépekig. A kompozit anyagok lényegében két vagy több különböző anyag kombinációja, amelyeket együtt használnak a legjobb tulajdonságok kombinálása érdekében, vagy olyan új jellemzőket adnak át, amelyeket egyik alkotó anyag sem képes önmagában elérni. A mérnöki kompozitok jellemzően egyedi rétegekből épülnek fel, amelyek folytonos, egyenes szálak (pl. szén, üveg, aramid stb.) beágyazva egy gazda polimer mátrixba (pl. fenolos, poliészter, epoxi stb.), amelyek rétegenként lamináltak a végső anyag/szerkezet felépítése érdekében.

a korszerű szálerősítésű kompozitok gyártásánál a legfontosabb szempont, hogy az anyag és a szerkezet egyszerre jön létre. Következésképpen a gyártási folyamat során fellépő hibák közvetlenül befolyásolják az anyag és a szerkezet szilárdságát és merevségét. Minden apró részlet fontos.

az elmúlt 40 évben számos kompozit gyártási folyamatot fejlesztettek ki, beleértve: kontakt öntés, kompressziós öntés, vákuumzsák/autokláv öntés, rotációs öntés, gyantaátviteli öntés (RTM), szalagcsomagolás, izzószál tekercselés, pultrúzió, táguló húgyhólyag öntés stb. Mindezeknek a folyamatoknak több közös jellemzője van: a megerősítéseket szerszámban vagy öntőformában hozzák a kívánt formába, a gyantát és a szálakat esetleg magas hőmérsékleten és nyomáson hozzák össze a gyanta kikeményedése érdekében, és a formázást a műgyanta kikeményedése után eltávolítják az alkatrészről. A különböző gyártási technikák vagy közvetlen folyamatokként osztályozhatók(pl. RTM, pultrúzió, kontakt öntés), amelyek különálló szálakat és gyantát használnak az öntés helyén, vagy közvetett folyamatok, amelyek gyantával előre impregnált szálakat használnak(pl. vacumm táska / autokláv öntés, kompressziós öntés).

a gyártási folyamat kiválasztása természetesen nagy hatással lesz az alkatrész minőségére, mechanikai tulajdonságaira és gyártási költségeire. Potter (1996) szerint egy ideális folyamat meghatározható úgy, hogy:

1. magas termelékenység-rövid ciklusidők, alacsony munkaerő-tartalom stb.
2. minimális anyagköltség – alacsony hozzáadott értékű anyagok, alacsony anyagtárolási és kezelési költség
3. maximális geometriai rugalmasság – az alkatrész összetettsége és mérete
4. maximális tulajdonság rugalmasság – mátrixok tartománya, megerősítési típusok tartománya, a mechanikai tulajdonságok és a testreszabási jellemzők ellenőrzésének képessége
5. minimális kikészítési követelmények – nettó alakgyártás
6. megbízható és kiváló minőségű gyártás – alacsony elutasítási arány, alacsony variabilitás stb.

nem létezik olyan gyártási folyamat, amely egyszerre képes teljesíteni ezeket a követelményeket; a legfontosabb, hogy ezek közül a követelmények közül néhány egymást kizárhatja. Az alábbiakban bemutatjuk az 5 Leggyakoribb folyamat összehasonlítását.

kompozit gyártási technikák összehasonlítása(1)

Kontakt öntés

Kontakt öntési sematikus (1)

ez a legrégebbi és legprimitívebb gyártási folyamat, de a legszélesebb körben használt az egész világon. Érintkezéskor az öntőgyantát kézzel kell felvinni egy szerszámfelületre helyezett száraz vasalásra, amely összehasonlítható a tapéták ecsettel történő ragasztásával. A szerszámot és a szövetet ezután egy vákuumzsák zárja le, és a zsák alatti levegőt eltávolítják annak érdekében, hogy a laminátumot légköri nyomás alatt kikeményítsék. Mivel azonban az alkalmazott nyomás viszonylag alacsony, és a kikeményedés jellemzően szobahőmérsékleten történik, a megerősítés térfogataránya a természetes csomagolási sűrűségre korlátozódik. Továbbá a minőség teljes mértékben a munkaerő készségétől függ, és a kiváló minőségű laminátumok megbízható garantálásának nehézsége miatt szinte lehetetlen a kereskedelmi repülőgépek érintkező öntött szerkezeti elemeinek minősítése. Végül a korlátozott külső nyomás miatt az ürítést nehéz ellenőrizni, ami nagy hatással van a laminátumok vastagságának változékonyságára.

HMS Wilton műanyag megerősített hajó (2)

másrészt a folyamat rendkívül rugalmas, ideális egyszeri gyártáshoz, és minimális infrastruktúrát igényel. Míg az érintkező öntés nagyon nagy szerkezetek esetén a választott folyamat, a geometriai rugalmasság korlátozottabb a finom részletekkel, saroksugarakkal stb. Ezért az eljárást széles körben használják üvegszál/poliészter gyanta hajógyártásban és vitorlázógépeknél.

Vac. Táska / autokláv

Prepreg Layup az autokláv gyógyítására (1)

a fejlett kompozitokban az autokláv folyamatok messze a legszélesebb körben használatosak, az autokláv öntés pedig a választott folyamat a repülőgépipar számára. Ezek az eljárások előre impregnált egyirányú rétegeket vagy szövött kendőket használnak, amelyeket részben kikeményítettek vagy béta-fokozatúak. Az egyik hátrány az, hogy a pre-preg-t fagyasztóban kell tartani, hogy megakadályozzák a gyanta kialudását. Több prepreg rétegeket fektetnek le egy szerszámfelületre az előre meghatározott szál orientációkkal, hogy felépítsék a kívánt vastagságot, majd lefedik egy kioldó fóliával, légtelenítő anyaggal, valamint vákuumzsákkal vagy szilícium nyomózsákkal. A levegőt a zsákból szívják ki, hogy vákuumot hozzanak létre, és a szerszámot magas hőmérsékleten és nyomáson melegítik a gyanta kikeményítésére. Elvileg több bontási ciklust hajtanak végre a laminátum befedésével és minden 3-4 rétegű réteg után vákuum alkalmazásával annak érdekében, hogy eltávolítsák a rétegek közötti felesleges levegőt. Ez csökkenti az ömlesztett tényezőt, és segít megelőzni a rétegek közötti rétegződést, és szabályozza a vastagság méretét. A rendszeres leszerelési ciklusok és az alkatrész megfelelő hidrosztatikus nyomása a kikeményedés során a két alapvető követelmény a jó öntvények eléréséhez. Az autokláv öntés termelékenysége általában meglehetősen alacsony, mivel a kézi elrendezési, zsákolási és leszerelési ciklusok jelentős munkaerőt és időt igényelnek. Furtermore, az autoklávok tőkekiadása enourmous, ami korlátozza annak használatát nagyobb struktúrákra, ahol ezek a kiadások indokoltak. Mivel a pre-preg már nem alacsony hozzáadott értékű állapotban van, az anyagköltségek is magasabbak.

Honeycomb szendvics Pre-preg az autokláv gyógyítására (1)

a geometriai rugalmasság mind alakban, mind méretben jobb, mint a legtöbb folyamatnál. A közelmúltban lehetőség nyílt egy helikopter teljes padlójának egy darabban történő gyártására, ami fémes megközelítéssel nem lenne lehetséges. Az autokláv díszléceket gyakran méhsejtmagokkal együtt használják, így nagyon könnyű alkatrészek gyárthatók. Ez az egyik oka annak, hogy az autokláv díszlécek dominanciája nagyon valószínűnek tűnik a közeljövőben, legalábbis az űrkutatási környezetben.

végtelen tekercselés

az izzószál tekercselési folyamatának vázlata(1)

az izzószálas tekercselés során egy szálas fonalat egy gyantafürdőn vezetnek át, majd a forgó tüske tengelye mentén hosszirányban áthaladva egy forgó tüskére tekercselnek. Ha nem használnak ragadós, előre impregnált szálas vontatókat, a kóc által követett útvonalnak szorosan követnie kell a geodéziai útvonalat (olyan szálas utak, amelyek megfeszítés esetén nem okoznak szálcsúszást). A henger bármely egyszerű spirális útját geodéziai útnak definiáljuk, de ha két irányba görbülünk (pl. Földgömb), a lehetséges utak száma nagyon korlátozottá válik. Emiatt a tulajdonságok rugalmassága meglehetősen korlátozott, így az izzószálas tekercselést általában csővezetékek, nyomástartó edények és rakétamotorok gyártásához használják. Különösen a nyomástartó edények elősegítik az izzószál tekercselését, mivel két egyértelműen meghatározott feszültségirányuk van (a karika és a hosszirányú feszültségek), amelyeket a tekercselés iránya képes befogadni.

az izzószálas tekercselés egyik hátránya, hogy a tüske gyakran a tekercsbe van zárva. Ha fém vagy polimer bélést használnak tüskeként, akkor a szerkezet állandó részét képezheti, de gyakoribb, hogy a tekercselés a végein hasított, hogy az alkatrészt eltávolítsa. A geometriai rugalmasságot az is korlátozza, hogy kör alakú vagy prizmás díszlécek körül kell tekerni. Az egyik fő előnye, hogy a folyamat automatizálható, így a ciklusidők és a munkaerőköltségek alacsonyan tarthatók nagy megbízhatóság és minőség mellett. Ez utóbbi szempont az egyik oka annak, hogy erőfeszítéseket tesznek a folyamat geometriai korlátainak és lehetséges alkalmazásainak kiszélesítésére.

gyanta transzfer öntés (RTM)

a gyanta transzfer öntési folyamatának vázlata(1)

az RTM-et nem lehet egyetlen folyamatnak tekinteni, hanem inkább “gyártási filozófiának, amelyben a gyanta és a szálak az utolsó pillanatig elkülönülnek” (Potter, 1996). Az összes folyamatváltozatnak azonban megvan az a közös jellemzője, hogy a nem leválasztott szálakat zárt szerszámüregben tartják, olyan nyomáskülönbséggel, amelyet a gyantaellátásra alkalmaznak úgy, hogy a gyanta áthatoljon a megerősítésbe. A szerszám lehet merev vagy rugalmas elemeket tartalmazhat. A szerszámra nehezedő konszolidációs nyomást mechanikus szorítók, szerszámprés vagy belső vákuum alkalmazásával fejtik ki, és meghatározzák a szál gyantához viszonyított térfogatarányát. Az RTM-et az 1970-es évek óta használják radomok, valamint aeroengine kompresszor lapátok építésére. Az RTM folyamatok továbbfejlesztésének fő mozgatórugója olyan gyártási módszerek kidolgozása, amelyek leküzdhetik az autokláv díszlécek által előírt geometriai komplexitási korlátokat. A termelékenység szempontjából a ciklusok ideje alacsonyabb, mint a legtöbb más folyamaté, az autóiparban pedig a kis alkatrészeket percek alatt gyártják.

RTM-en keresztül gyártott autóipari Panel

az RTM egyik fő előnye az alacsony hozzáadott értékű anyagok (száraz szálak és alacsony viszkozitású gyanták) használata, amelyeket nem kell fagyasztóban tárolni, ezáltal csökkentve az anyag-és kezelési költségeket. Az RTM fő előnyei azonban a geometriai és a tulajdonság rugalmasságában rejlenek. RTM lehet használni UD varrott szövet, szövet és 3D szövet, és a gyanta injekció változtatható, hogy ellenőrizzék a térfogat frakció, és így a merevség és szilárdság a komponens. Ezenkívül a nagyon finom részletekkel rendelkező kis alkatrészeket merev fémszerszámokon gyártják, míg a nagyobb alkatrészeket rugalmas formákon lehet előállítani. Végül, egy szorosan ellenőrzött eljárással lehetséges háló alakú díszlécek létrehozása minimális kikészítési követelményekkel. Mindez azonban egy kissé trükkösebb gyártási technika költségével jár. A kiváló minőségű alkatrészek garantálása érdekében a gyanta befecskendezését és a gyanta áramlását szorosan ellenőrizni kell, hogy az összes vasalás egyformán nedvesedjen ki. Ez meglehetősen fejlett folyadékdinamikai szimulációkat és kiterjedt tesztelést igényel annak érdekében, hogy olyan formaformát állítsunk elő, amely lehetővé teszi a gyanta egyenletes áramlását az alkatrész minden részébe.

Pultrúzió

a pultrúziós folyamat vázlata(1)

ebben a folyamatban a szálakat egy creel deszkából húzzák ki, majd gyantafürdőn vezetik át, hogy a szálakat gyantával impregnálják. Az impregnált szálakat ezután egy előszerszámon vezetik át, hogy eltávolítsák a felesleges gyantát, és előkészítsék a hozzávetőleges végső alakot. Ezután beírják a kikeményítő szerszámot, amely a pultrudált rész végső szükséges keresztmetszetének alakját veszi fel. A kikeményítő szerszám hőt alkalmaz az alkatrészre A gyanta megszilárdítása érdekében, és a kikeményített, alakú profilt feszültség alatt kihúzzák a szerszámból. Ez azt jelenti, hogy a termelékenység nagyon magas lehet egy folyamatban lévő termelésben, de alacsonyabb termelési volumen esetén csökken, amelyek új keresztmetszeti szerszámokat igényelnek. Mivel az üzemeltetés automatizált, a munkaerőköltségek alacsonyak, az alkatrészek megbízhatósága és minősége pedig magas. A folyamat általában állandó keresztmetszetű alkatrészekre korlátozódik, ami nagymértékben korlátozza az alkalmazásokat. A pultrúziót nagyon keveset használták az űrkutatási környezetben, de alkalmazást talált az építőmérnöki szerkezetek szabványosított profilgerendáinak gyártásában.

automatizált folyamatok

a robotika használata a kompozitgyártásban gyors ütemben növekszik, és valószínűleg a jövő legígéretesebb technológiája. A gyártási folyamat automatizálásának nyilvánvaló előnyei közé tartozik a méretek kisebb változékonysága és kevesebb gyártási hiba. Ezenkívül a takarmány-alapanyagok hatékonyabban használhatók fel, és csökkennek a munkaerőköltségek. A rendszer egyik ígéretes osztálya az úgynevezett automatizált Szálelhelyező (AFP) gépek, amelyek robot szálelhelyező fejet használnak, amely több előre impregnált “résszalag” vontatót helyez el, lehetővé téve minden egyes vontatás vágását, befogását és újraindítását. Míg a robotfej egy meghatározott szálas utat követ, a vontatókat röviddel a lerakódás előtt melegítik, majd egy speciális henger segítségével tömörítik az aljzatra. A jelenlegi robottechnológia nagy hűségének köszönhetően az AFP gépek magas termelékenységet biztosítanak és összetett geometriákat kezelnek. A jelenlegi alkalmazások közé tartozik a Boeing 787 törzs gyártása és a négyzet alakú dobozok tekercselése, amelyeket hosszirányban hasítanak, hogy két ‘C’ szakaszt készítsenek a szárnytartókhoz. Az olyan vállalatok által tervezett integrált gyártási rendszerek, mint az ElectroImpact, izgalmas kulcsrakész képességeket kínálnak a jövőbeli Repülőgép-szerkezetek számára. Ezek a rendszerek több gyártási folyamatot kombinálnak, például szálelhelyezést és additív gyártást egy robotfejen, és ezáltal megkönnyítik a kevesebb csatlakozással és csatlakozással rendelkező kevert és integrált szerkezetek gyártását. Ezek a rendszerek lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy hatékonyabb szerkezeteket tervezzenek, például integrált ortogrid vagy izogrid kompozit paneleket, amelyeket jelenleg nehéz gazdaságosan gyártani nagy léptékben.

Végtelen Seb Boeing 787 Törzs (3)