Composites Manufacturing

gjennom de siste fire tiårene utnyttelse av fiberarmert plast (FRP) i byggverk har vært jevnt diversifisere fra sportsutstyr og høy ytelse racerbiler, til helikoptre og sist kommersielle fly. Komposittmaterialer er i hovedsak en kombinasjon av to eller flere ulike materialer som brukes sammen for å kombinere beste egenskaper, eller formidle et nytt sett av egenskaper som ingen av bestanddelene kunne oppnå på egen hånd. Tekniske kompositter er vanligvis bygget opp fra individuelle lag som tar form av kontinuerlige, rette fibre (f.eks . karbon, glass, aramid etc.) innebygd i en vert polymer matrise (f.eks. fenoliske, polyester, epoksy etc.), som er laminert lag for lag for å bygge opp det endelige materialet / strukturen.

når det gjelder produksjon av avanserte fiberforsterkede kompositter, er det viktigste aspektet å gjenkjenne at materialet og strukturen opprettes samtidig. Følgelig påvirker eventuelle feil som fremkalles under produksjonsprosessen direkte styrken og stivheten til materialet og strukturen. Hver lille detalj er viktig.

et stort antall komposittproduksjonsprosesser har blitt utviklet de siste 40 årene, inkludert: kontakt støping, komprimering støping, vakuum bag / autoklav støping, rotasjonsstøping, harpiks overføring støping (RTM), tape innpakning, filament svingete, pultrusion, utvide blæren støping etc. Alle disse prosessene har flere egenskaper til felles; forsterkningene bringes i ønsket form i et verktøy eller mugg, harpiks og fibre bringes sammen muligens under forhøyet temperatur og trykk for å kurere harpiksen, og støpingen strippes fra delen når harpiksen har herdet. De forskjellige fabrikasjonsteknikkene kan enten klassifiseres som direkte prosesser (f.eks. RTM, pultrusion, kontaktstøping) som bruker separate fibre og harpiks samlet sammen ved støping eller indirekte prosesser som bruker fibre preimpregnert med harpiks (f.eks. vacumm bag / autoklav støping, komprimering støping).

valg av produksjonsprosessen vil naturligvis ha stor effekt på komponentens kvalitet, mekaniske egenskaper og fabrikasjonskostnad. Ifølge Potter (1996) kan en ideell prosess defineres som å ha:

1. Høy Produktivitet-korte syklustider, lavt arbeidsinnhold etc.
2. minimum materialkostnad – lave verdiøkende materialer, lave materiallagrings – og håndteringskostnader
3. Maksimal geometrisk fleksibilitet – formkompleksitet og størrelse på komponent
4. Maksimal egenskapsfleksibilitet – utvalg av matriser, utvalg av forsterkningstyper, evne til å kontrollere mekaniske egenskaper og skredderegenskaper
5. Minimumskrav til etterbehandling – netto formproduksjon
6. Pålitelig og høy kvalitet produksjon-lave avvisningsrater, lav variabilitet etc.

det finnes ingen produksjonsprosess som samtidig kan oppfylle alle disse kravene; viktigst noen av disse kravene kan være gjensidig utelukkende. En sammenligning av de 5 vanligste prosessene er vist nedenfor.

Sammenligning Av Komposittproduksjonsteknikker (1)

Kontakt Støping

Kontakt Støping Skjematisk (1)

dette er den eldste og mest primitive produksjonsprosessen, men også den mest brukte rundt om i verden. I kontaktforming brukes harpiks manuelt på en tørr forsterkning plassert på en verktøyoverflate og kan sammenlignes med liming av veggpapir med en børste. Verktøyet og stoffet blir deretter omsluttet av en vakuumpose og luften under posen fjernes for å kurere laminatet under atmosfærisk trykk. Men siden det påførte trykket er relativt lavt og herdingen vanligvis oppstår ved romtemperatur, er volumfraksjonen av forsterkning begrenset til den naturlige pakningstettheten. Videre er kvaliteten helt avhengig av kompetansen til arbeidsstyrken, og på grunn av vanskeligheten med å pålidelig garantere høykvalitets laminater er det nesten umulig å kvalifisere kontaktstøpte strukturelle komponenter for kommersielle fly. Til slutt, på grunn av den begrensede ytre trykk voidage er vanskelig å kontrollere, noe som har en stor effekt på variasjonen i tykkelsen av laminater.

HMS Wilton Plast Forsterket Skip (2)

på den annen side er prosessen svært fleksibel, ideell for engangsproduksjon og krever minimal infrastruktur. Mens kontaktstøping er prosessen av valget for svært store strukturer geometrisk fleksibilitet er mer begrenset i form av å lage deler med fine detaljer, hjørne radier, etc. Av denne grunn er prosessen mye brukt i glassfiber / polyester harpiks skipsbygging og for seilfly.

Vac. Bag / Autoklav

Prepreg Layup For Autoklav Kur (1)

i avanserte kompositter autoklav prosesser er langt den mest brukte og autoklav støping er prosessen med valg for romfartsindustrien. Disse prosessene bruker preimpregnerte uni-directional plies eller vevde kluter, som har blitt delvis herdet eller beta-iscenesatt. En ulempe er at pre-preg må holdes i en fryser for å hindre at harpiksen går av. Flere prepreg-lag legges ned på en verktøyoverflate med de forhåndsdefinerte fiberretningene, for å bygge opp den nødvendige tykkelsen, og deretter dekket med en frigjøringsfilm, pustestoff og en vakuumpose eller silisiumtrykkpose. Luften trekkes ut fra posen for å skape et vakuum og verktøyet oppvarmes under forhøyet temperatur og trykk for å kurere harpiksen. I prinsippet utføres flere demoulding sykluser ved å dekke laminatet og påføre et vakuum etter hvert 3-4 lag lag for å fjerne overflødig luft mellom lagene. Dette reduserer bulkfaktoren og bidrar til å forhindre delamineringer mellom lagene og styrer tykkelsesdimensjonen. Regelmessige demoulding sykluser og tilstrekkelig hydrostatisk trykk på den delen under herding er de to grunnleggende kravene for å oppnå gode lister. Produktiviteten til autoklavforming er generelt ganske lav siden de manuelle opplegg, bagging og demoulding sykluser bruker betydelig arbeidskraft og tid. Videre er kapitalutgiftene til autoklaver enourmous, noe som begrenser bruken til større strukturer der disse endringene er berettiget. Siden pre-preg ikke lenger er i lav verdiskapende tilstand, er materialkostnadene også høyere.

Honeycomb Sandwich Med Pre-preg For Autoklav Kur (1)

Geometrisk fleksibilitet i både form og størrelse er bedre enn for de fleste prosesser. Nylig har det vært mulig å produsere hele gulvet i et helikopter i ett stykke, noe som ikke ville være mulig med metallisk tilnærming. Autoklavlister brukes ofte sammen med honeycomb-kjerner, slik at meget lette komponenter kan produseres. Dette er en av grunnene til at dominansen av autoklavlister synes svært sannsynlig å fortsette i nær fremtid, i hvert fall i luftfartsmiljøet.

Filamentvikling

Skjematisk Av Filamentviklingsprosessen (1)

i filamentvikling føres et slep av fibre gjennom et harpiksbad og vikles på en roterende dorn ved å krysse langsgående langs aksen til den roterende doren. Med mindre klebrig pre-impregnert fiber slep brukes banen etterfulgt av slep må nøye følge en geodetisk bane (fiber baner som ikke forårsaker fibre å skli hvis spent). Enhver enkel spiralformet bane på en sylinder er definert som en geodetisk bane, men når krumning i to retninger er innført(f. eks. Av denne grunn egenskapen fleksibilitet er ganske begrenset slik at filament vikling brukes vanligvis for produksjon rør, trykkbeholdere og raketter motorer. Spesielt bidrar trykkbeholdere til filamentvikling siden de har to klart definerte spenningsretninger (bøylen og langsgående spenninger) som kan innkvarteres av viklingsretningen.

en ulempe med filamentvikling er at doren ofte er innelukket i viklingen. Hvis en foring av metall eller polymer brukes som en dor kan det danne en permanent del av strukturen, men det er mer vanlig at viklingen er slit-off i endene til demould delen. Den geometriske fleksibiliteten er også begrenset av å måtte vikle rundt sirkulære eller prismatiske lister. En stor fordel er at prosessen gir seg til automatisering slik at syklustider og lønnskostnader kan holdes lave med høy pålitelighet og kvalitet. Dette siste aspektet er en av grunnene til at det jobbes med å utvide prosessens geometriske grenser og mulige anvendelser.

Harpiks Overføring Støping (RTM)

Skjematisk Av Harpiks Overføring Støping Prosessen (1)

RTM kan ikke betraktes som en enkelt prosess, men betraktes bedre som en “produksjonsfilosofi der harpiks og fibre holdes fra hverandre til siste øyeblikk” (Potter, 1996). Alle prosessvariasjoner har imidlertid fellestrekk ved å holde uforbeholdne fibre i et lukket verktøyhulrom med et differensialtrykk påført en tilførsel av harpiks slik at harpiksen gjennomsyrer inn i armeringen. Verktøyet kan være stivt eller inneholde fleksible elementer. Konsolideringstrykket på verktøyet påføres ved hjelp av mekaniske klemmer, en verktøypress eller bruk av internt vakuum og definerer oppnådd volumfraksjon av fiber med hensyn til harpiks. RTM har blitt brukt siden 1970-tallet til å bygge radomer samt aeroengine kompressorblader. Hoveddriveren bak videreutviklingen AV RTM-prosesser er å utarbeide fabrikasjonsmetoder som kan overvinne de geometriske kompleksitetsbegrensningene som pålegges av autoklavlister. Når det gjelder produktivitetssykluser, er tidene lavere enn de fleste andre prosesser, og i bilindustrien produseres små komponenter i løpet av minutter.

Bilpanel Produsert VIA RTM

EN stor fordel MED RTM er bruken av materialer med lav merverdi (tørre fibre og harpikser med lav viskositet) som ikke må lagres i frysere, og dermed reduserer material-og håndteringskostnadene. DE store fordelene MED RTM ligger imidlertid innenfor deres geometriske og eiendomsfleksibilitet. RTM kan brukes MED ud-syede kluter, vevde stoffer og 3D-stoffer, og harpiksinjeksjonen kan varieres for å kontrollere volumfraksjonen og dermed stivheten og styrken til komponenten. Videre produseres små komponenter med svært fine detaljer på stivt metallverktøy, mens større komponenter kan produseres på fleksible former. Til slutt, med en nøye kontrollert prosess er det mulig å lage nettformlister med minimale etterbehandlingskrav. Men alt dette kommer på bekostning av en litt vanskeligere produksjonsteknikk. For å garantere komponenter av høy kvalitet må harpiksinjeksjon og harpiksstrøm kontrolleres nøye slik at hele armeringen er like fuktet ut. Dette krever ganske avanserte fluiddynamikk simuleringer og omfattende testing for å komme opp med en form form som tillater selv harpiks flyt til alle deler av komponenten.

Pultrusion

Skjematisk Av Pultrusjonsprosessen (1)

i denne prosessen trekkes fibre fra et creelbrett og føres gjennom et harpiksbad for å impregnere fibrene med harpiks. De impregnerte fibrene føres deretter gjennom en pre-die for å fjerne overflødig harpiks og for å pre-danne den omtrentlige endelige formen. Herdingen dør blir deretter innført, som tar form av det endelige nødvendige tverrsnittet av den pultruderte delen. Herdingen dør gjelder varme til komponenten for å konsolidere harpiks og herdet, formet profil trekkes fra dør under spenning. Dette betyr at produktiviteten kan være svært høy i en pågående produksjon, men vil falle for lavere produksjonsvolumer som krever endringer i nye tverrsnittsformer. Siden driften er automatisert, er lønnskostnadene lave og påliteligheten og kvaliteten på komponentene er høy. Prosessen er generelt begrenset til konstant tverrsnitt komponenter, som i stor grad begrenser anvendelser. Pultrusion har blitt brukt svært lite i romfartsmiljøer, men har funnet søknad i produksjon standardiserte profilbjelker for anleggsstrukturer.

Automatiserte Prosesser

bruken av robotikk i komposittproduksjon vokser raskt og er trolig den mest lovende teknologien for fremtiden. Åpenbare fordeler med å automatisere produksjonsprosessen inkluderer redusert variasjon i dimensjoner og mindre produksjonsfeil. Videre kan matematerialet brukes mer effektivt og lønnskostnadene reduseres. En lovende klasse av systemet er Den såkalte Automated Fiber Placement (AFP) maskiner som bruker en robot fiber plassering hodet som innskudd flere preimpregnerte slep av “slit-tape” tillater skjæring, klemming og omstart av hver enkelt slep. Mens robothodet følger en bestemt fiberbane, oppvarmes tows kort før avsetning og deretter komprimeres på underlaget ved hjelp av en spesiell rulle. PÅ grunn av den høye kvaliteten på dagens robotteknologi KAN AFP-maskiner gi høy produktivitet og håndtere komplekse geometrier. Nåværende applikasjoner inkluderer produksjon Av Boeing 787-skroget og vikling av firkantede bokser, som deretter spaltes i lengderetningen for å lage to ‘ C ‘ – seksjoner for vingesparer. Integrerte produksjonssystemer som designet av selskaper som ElectroImpact tilbyr spennende nøkkelferdige evner for fremtidige flykonstruksjoner. Disse systemene kombinerer flere produksjonsprosesser, for eksempel fiberplassering og additivproduksjon på ett robothode, og letter dermed produksjonen av blandede og integrerte strukturer med færre ledd og tilkoblinger. Disse systemene vil også tillate ingeniører å designe mer effektive strukturer, for eksempel integrerte orthogrid eller isogrid komposittpaneler, som for tiden er vanskelig å produsere økonomisk i stor skala.

Filament Såret Boeing 787 Skroget (3)