composieten Manufacturing

gedurende de laatste vier decennia is de exploitatie van vezelversterkte kunststoffen (FRP) in technische constructies gestadig gediversifieerd van sportuitrusting en high performance raceauto ‘ s tot helikopters en meest recent commerciële vliegtuigen. Composietmaterialen zijn in wezen een combinatie van twee of meer ongelijksoortige materialen die samen worden gebruikt om de beste eigenschappen te combineren, of geven een nieuwe reeks kenmerken die geen van de samenstellende materialen op zichzelf zou kunnen bereiken. Technische composieten worden meestal opgebouwd uit individuele lagen die de vorm aannemen van continue, rechte vezels (bijv. koolstof, glas, aramide etc.) ingebed in een gastheer polymeer matrix (bijv. fenol, polyester, epoxy enz.), die laag voor Laag gelamineerd zijn om het uiteindelijke materiaal/structuur op te bouwen.

bij de vervaardiging van geavanceerde vezelversterkte composieten is het belangrijkste aspect dat moet worden onderkend dat het materiaal en de structuur tegelijkertijd worden gecreëerd. De tijdens het productieproces veroorzaakte defecten hebben dus een directe invloed op de sterkte en stijfheid van het materiaal en de structuur. Elk klein detail is belangrijk.

de afgelopen 40 jaar is een groot aantal samengestelde fabricageprocédés ontwikkeld, waaronder: contactafgietsel, compressieafgietsel, vacuümzak / autoclaafafgietsel, rotatieafgietsel, harsoverdrachtafgietsel (RTM), bandomwikkeling, filamentwikkeling, pultrusie, uitdijende blaasvorm enz. Al deze processen hebben verschillende kenmerken gemeen: de versterkingen worden in een gereedschap of Mal in de gewenste vorm gebracht, hars en vezels worden eventueel onder verhoogde temperatuur en druk bij elkaar gebracht om de hars uit te harden, en het gietwerk wordt van het onderdeel verwijderd zodra de hars is uitgehard. De verschillende fabricagetechnieken kunnen ofwel worden geclassificeerd als directe processen (bijv. RTM, pultrusie, contactgieten) die afzonderlijke vezels en hars gebruiken die bij het gieten zijn samengevoegd of indirecte processen waarbij vezels worden gebruikt die vooraf zijn geïmpregneerd met hars (bijv. vacumm zak / autoclaaf moulding, compressie moulding).

de keuze van het fabricageprocédé zal uiteraard een grote invloed hebben op de kwaliteit, de mechanische eigenschappen en de fabricagekosten van het onderdeel. Volgens Potter (1996) kan een ideaal proces worden gedefinieerd als het hebben van:

1. hoge productiviteit-korte cyclustijden, lage arbeidsinhoud enz.
2. minimale materiaalkosten-materialen met een lage toegevoegde waarde, lage kosten voor opslag en behandeling van materiaal
3. maximale geometrische flexibiliteit-vormcomplexiteit en grootte van component
4. maximale eigenschap flexibiliteit-reeks matrices, reeks wapentypes, vermogen om mechanische eigenschappen en eigenschappen op maat te regelen
5. minimale afwerkingseisen-netvormproductie
6. betrouwbare en hoogwaardige fabricage-lage afkeuringspercentages, lage variabiliteit enz.

er bestaat geen fabricageprocédé dat gelijktijdig aan al deze eisen kan voldoen; het belangrijkste is dat sommige van deze eisen elkaar kunnen uitsluiten. Een vergelijking van de 5 meest voorkomende processen wordt hieronder getoond.

vergelijking van Composietproductietechnieken (1)

Contact gieten

Contact Moulding Schema (1)

Dit is het oudste en meest primitieve productieproces, maar ook het meest gebruikte over de hele wereld. In contact spuitgiethars wordt handmatig aangebracht op een droge versteviging op een gereedschapsoppervlak en kan worden vergeleken met het verlijmen van behangpapier met een borstel. Het gereedschap en de stof worden vervolgens omsloten door een vacuümzak en de lucht onder de zak verwijderd om het laminaat onder atmosferische druk uit te harden. Echter, omdat de toegepaste druk relatief laag is en uitharding meestal optreedt bij kamertemperatuur, is de volumefractie van wapening beperkt tot de natuurlijke verpakkingsdichtheid. Bovendien is de kwaliteit volledig afhankelijk van de vaardigheid van het personeel en door de moeilijkheid om kwalitatief hoogwaardige laminaten betrouwbaar te garanderen is het bijna onmogelijk om contact gegoten structurele componenten voor commerciële vliegtuigen te kwalificeren. Ten slotte is door de beperkte externe druk voidage moeilijk te controleren, wat een groot effect heeft op de variabiliteit in de dikte van laminaten.

HMS Wilton kunststof Versterkt Schip (2)

aan de andere kant is het proces zeer flexibel, ideaal voor eenmalige productie en vereist minimale infrastructuur. Terwijl contactgietwerk bij zeer grote constructies een voorkeursproces is, is de geometrische flexibiliteit meer beperkt in termen van het maken van onderdelen met fijne details, hoekradii, enz. Om deze reden wordt het proces uitgebreid gebruikt in glassfibre/polyester hars scheepsbouw en voor zweefvliegtuigen.

Vac. Zak / autoclaaf

Prepreg Layup voor autoclaaf Cure (1)

in geavanceerde composieten zijn autoclaafprocessen veruit de meest gebruikte en autoclaafgieten is het proces van keuze voor de lucht-en ruimtevaartindustrie. Bij deze processen wordt gebruik gemaakt van voorgeïmpregneerde eenrichtingslagen of geweven doeken, die gedeeltelijk zijn uitgehard of betafased. Een nadeel is dat pre-preg in een vriezer moet worden bewaard om te voorkomen dat de hars afgaat. Meerdere prepreg-lagen worden op een gereedschapsoppervlak gelegd met de vooraf gedefinieerde vezeloriëntaties, om de vereiste dikte op te bouwen, en vervolgens bedekt met een ontluchtingsfolie, ademluchtstof en een vacuümzak of siliconen drukzak. De lucht wordt uit de zak getrokken om een vacuüm te creëren en het gereedschap verwarmd onder verhoogde temperatuur en druk om de hars uit te harden. In principe worden meerdere ontschuifcycli uitgevoerd door het laminaat te bedekken en na elke 3-4 lagen een vacuüm aan te brengen om overtollige lucht tussen lagen te verwijderen. Dit vermindert de bulk factor en helpt om delaminaties tussen lagen te voorkomen en regelt de dikte dimensie. Regelmatige ontschuifcycli en voldoende hydrostatische druk van het onderdeel tijdens het uitharden zijn de twee basisvereisten voor het bereiken van goede gietstukken. De productiviteit van autoclaafgietwerk is over het algemeen vrij laag, omdat de handmatige lay-up, zakken en ontdooien cycli veel arbeid en tijd verbruiken. Bovendien zijn de kapitaaluitgaven van autoclaven aanzienlijk, hetgeen het gebruik ervan beperkt tot grotere structuren waar deze uitgaven gerechtvaardigd zijn. Aangezien pre-preg zich niet langer in een lage toegevoegde waarde bevindt, zijn de materiaalkosten ook hoger.

honingraat Sandwich met Pre-preg voor autoclaaf Cure (1)

Geometrische flexibiliteit in vorm en grootte is beter dan bij de meeste processen. Onlangs is het mogelijk geweest om de gehele vloer van een helikopter in één stuk te vervaardigen, wat niet mogelijk zou zijn met een metalen aanpak. Autoclaaflijsten worden vaak gebruikt in combinatie met honingraatkernen zodat zeer lichte componenten kunnen worden vervaardigd. Dit is een van de redenen waarom de dominantie van autoclaaflijsten in de nabije toekomst zeer waarschijnlijk zal voortduren, althans in de lucht-en ruimtevaart.

Gloeidraadwikkeling

schema van het wikkelproces van de gloeidraad (1)

in de filamentwikkeling wordt een kabel van vezels door een harsbad geleid en op een draaiende Doorn gewikkeld door langs de as van de draaiende doorn te lopen. Tenzij kleverige voorgeïmpregneerde vezellijnen worden gebruikt, moet het pad dat door de sleep wordt gevolgd, een geodeet pad volgen (vezelpaden die niet leiden tot het wegglijden van vezels als ze worden gespannen). Elk eenvoudig spiraalvormig pad op een cilinder wordt gedefinieerd als een geodetisch pad, maar zodra de kromming in twee richtingen wordt ingevoerd (bijvoorbeeld een bol), wordt het aantal mogelijke paden zeer beperkt. Om deze reden eigenschap flexibiliteit is nogal beperkt, zodat filamentwikkeling wordt meestal gebruikt voor de productie van leidingen, drukvaten en raketten motoren. Vooral drukvaten zijn bevorderlijk voor het wikkelen van gloeidraden, omdat ze twee duidelijk gedefinieerde spanningsrichtingen hebben (de hoepel en de lengtespanningen) die door de wikkelingsrichting kunnen worden opgevangen.

een nadeel van gloeidraadwikkeling is dat de doorn vaak binnen de wikkeling is ingesloten. Als een voering van metaal of polymeer als doorn wordt gebruikt, kan deze een permanent deel van de structuur vormen, maar het komt vaker voor dat de wikkeling aan de uiteinden wordt doorgesneden om het deel te demonteren. De geometrische flexibiliteit wordt ook beperkt door het draaien rond cirkelvormige of prismatische lijstwerk. Een groot voordeel is dat het proces zich leent voor automatisering, zodat cyclustijden en arbeidskosten laag kunnen worden gehouden met een hoge betrouwbaarheid en kwaliteit. Dit laatste aspect is een van de redenen waarom wordt getracht de geometrische grenzen en mogelijke toepassingen van het proces te verruimen.

Harsafgietsel (RTM))

schema van het vormproces van de Harsoverdracht (1)

RTM kan niet als een enkel proces worden beschouwd, maar wordt beter beschouwd als een” productiefilosofie waarin de hars en vezels tot het allerlaatste moment uit elkaar worden gehouden ” (Potter, 1996). Alle procesvariaties hebben echter de gemeenschappelijke kenmerken van het vasthouden van niet-gecondenseerde vezels in een gesloten gereedschapsholte met een drukverschil dat op een toevoer van hars wordt uitgeoefend, zodat de hars in de wapening doordringt. Het gereedschap kan stijf zijn of flexibele elementen bevatten. De consolidatiedruk op het gereedschap wordt uitgeoefend door middel van mechanische klemmen, een gereedschapspers of het gebruik van intern vacuüm en bepaalt de bereikte volumefractie van de vezel ten opzichte van de hars. RTM wordt sinds de jaren 1970 gebruikt om radomes en aeroengine compressorbladen te bouwen. De belangrijkste drijfveer achter de verdere ontwikkeling van RTM-processen is het bedenken van fabricatiemethoden die de geometrische complexiteitsbeperkingen van autoclaaflijsten kunnen overwinnen. In termen van productiviteit cycli tijden zijn lager dan de meeste andere processen en in de auto-industrie kleine componenten worden vervaardigd binnen enkele minuten.

een groot voordeel van RTM is het gebruik van materialen met een lage toegevoegde waarde (droge vezels en harsen met een lage viscositeit) die niet in vriezers hoeven te worden opgeslagen, waardoor de materiaal-en verwerkingskosten worden gedrukt. De belangrijkste voordelen van RTM liggen echter in hun geometrische en eigenschapsflexibiliteit. RTM kan worden gebruikt met UD gestikte doeken, geweven stoffen en 3D-stoffen, en de harsinjectie kan worden gevarieerd om de volumefractie en daarmee de stijfheid en sterkte van het onderdeel te regelen. Bovendien worden kleine componenten met zeer fijne details op stijve metalen gereedschappen vervaardigd, terwijl grotere componenten op flexibele matrijzen kunnen worden geproduceerd. Tot slot is het met een nauw gecontroleerd proces mogelijk om netvormige lijstwerk te maken met minimale afwerkingseisen. Dit alles gaat echter ten koste van een iets lastiger productietechniek. Om hoogwaardige componenten te garanderen, moeten de harsinjectie en de harsstroom nauwkeurig worden gecontroleerd, zodat alle wapening gelijkmatig wordt bevochtigd. Dit vereist vrij geavanceerde vloeistofdynamica simulaties en uitgebreide testen om te komen met een vormvorm die een gelijkmatige harsstroom naar alle delen van het onderdeel mogelijk maakt.

pultrusie

schema van het pultrusieproces (1)

in dit proces worden vezels uit een creelplaat getrokken en door een harsbad geleid om de vezels met hars te impregneren. De geïmpregneerde vezels worden vervolgens door een prematuur gevoerd om eventueel overtollig hars te verwijderen en de uiteindelijke vorm bij benadering voor te vormen. Vervolgens wordt de uithardingsmatrijs ingevoerd, die de vorm aanneemt van de uiteindelijke vereiste dwarsdoorsnede van het gepultrudeerde deel. De uithardende matrijs brengt warmte aan op de component om de hars te consolideren en het uitgeharde, gevormde profiel wordt onder spanning uit de matrijs getrokken. Dit betekent dat de productiviteit zeer hoog kan zijn in een lopende productie, maar zal dalen voor lagere productievolumes die veranderingen in nieuwe dwarsdoorsnede matrijzen vereisen. Aangezien de werking geautomatiseerd is, zijn de arbeidskosten laag en de betrouwbaarheid en kwaliteit van de componenten hoog. Het proces is over het algemeen beperkt tot constante dwarsdoorsnede componenten, die sterk beperkt toepassingen. Pultrusie is zeer weinig gebruikt in lucht-en ruimtevaart omgevingen, maar heeft toepassing gevonden in de productie van gestandaardiseerde profielbalken voor civieltechnische constructies.

geautomatiseerde processen

het gebruik van robotica in de composietproductie neemt snel toe en is waarschijnlijk de meest veelbelovende technologie voor de toekomst. Duidelijke voordelen van het automatiseren van het productieproces zijn minder variabiliteit in afmetingen en minder fabricagefouten. Bovendien kan het voedermiddel efficiënter worden gebruikt en worden de arbeidskosten verlaagd. Een veelbelovende klasse van het systeem zijn de zogenaamde Automated Fibre Placement (AFP) machines die gebruik maken van een robotachtige fibre placement head die meerdere vooraf geïmpregneerde dragers van “spleet-tape” afzet, waardoor het snijden, klemmen en opnieuw opstarten van elke Sleep. Terwijl de robotkop een specifiek vezelpad volgt, worden de leidingen kort voor de afzetting verwarmd en vervolgens met een speciale rol op het substraat verdicht. Door de hoge betrouwbaarheid van de huidige robottechnologie kunnen AFP-machines een hoge productiviteit bieden en complexe geometrieën verwerken. De huidige toepassingen omvatten de vervaardiging van de Boeing 787 romp en wikkeling van vierkante dozen, die vervolgens in de lengte worden gesneden om twee C-secties voor vleugelliggers te maken. Geïntegreerde productiesystemen zoals ontworpen door bedrijven als ElectroImpact bieden spannende turnkey-mogelijkheden voor toekomstige vliegtuigconstructies. Deze systemen combineren meerdere productieprocessen, bijvoorbeeld vezelplaatsing en additieve productie op één robotkop, en vergemakkelijken zo de productie van gemengde en geïntegreerde structuren met minder verbindingen en verbindingen. Met deze systemen kunnen ingenieurs ook efficiëntere structuren ontwerpen, zoals geïntegreerde orthogrid-of isogrid-composietpanelen, die momenteel economisch op grote schaal moeilijk te produceren zijn.

Gloeidraad Wond Boeing 787 Romp (3)