Produkcja kompozytów

W ciągu ostatnich czterech dekad wykorzystanie tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem (FRP) w konstrukcjach inżynierskich stale się różnicuje, od sprzętu sportowego i wysokowydajnych samochodów wyścigowych, po śmigłowce i ostatnio samoloty komercyjne. Materiały kompozytowe są zasadniczo kombinacją dwóch lub więcej różnych materiałów, które są używane razem w celu połączenia najlepszych właściwości lub nadania nowego zestawu cech, których żaden z materiałów składowych nie mógłby osiągnąć samodzielnie. Kompozyty inżynieryjne są zwykle zbudowane z pojedynczych warstw, które przyjmują postać ciągłych, prostych włókien(np. węgiel, szkło, aramid itp.) osadzone w macierzy polimerowej hosta (np. fenolowe, poliestrowe, epoksydowe itp.), które są laminowane warstwa po warstwie w celu zbudowania ostatecznego materiału / struktury.

W zakresie produkcji zaawansowanych kompozytów wzmocnionych włóknami najważniejszym aspektem do rozpoznania jest to, że materiał i struktura są tworzone w tym samym czasie. W związku z tym wszelkie wady, które powstają podczas procesu produkcyjnego, bezpośrednio wpływają na wytrzymałość i sztywność materiału i struktury. Każdy szczegół jest ważny.

W ciągu ostatnich 40 lat opracowano wiele procesów produkcji kompozytów, w tym: formowanie kontaktowe, formowanie tłoczne, formowanie worków próżniowych / autoklawów, formowanie rotacyjne, formowanie z transferem żywicy (RTM), owijanie taśmą, nawijanie włókien, pultruzja, formowanie rozszerzającego pęcherza itp. Wszystkie te procesy mają kilka wspólnych cech; wzmocnienia są doprowadzane do wymaganego kształtu w narzędziu lub formie, żywica i włókna są łączone w miarę możliwości w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu w celu utwardzenia żywicy, a formowanie usuwane z części po utwardzeniu żywicy. Różne techniki wytwarzania mogą być klasyfikowane jako procesy bezpośrednie (np. RTM, pultruzja, formowanie kontaktowe), które wykorzystują oddzielne włókna i żywicę połączone w punkcie formowania lub procesy pośrednie, w których wykorzystuje się włókna wstępnie impregnowane żywicą (np. worek vacumm / formowanie autoklawowe, formowanie tłoczne).

wybór procesu produkcyjnego będzie naturalnie miał duży wpływ na jakość, właściwości mechaniczne i koszt produkcji komponentu. Według Pottera (1996) idealny proces można zdefiniować jako mający:

1. wysoka Wydajność-krótkie czasy cykli, niska zawartość robocizny itp.
2. minimalny koszt materiałów – niska wartość dodana materiałów, niskie koszty przechowywania i obsługi materiału
3. Maksymalna elastyczność geometryczna – złożoność kształtu i rozmiar elementu
4. Maksymalna elastyczność właściwości – zakres matryc, zakres rodzajów zbrojenia, możliwość kontrolowania właściwości mechanicznych i dostosowywania właściwości
5. Minimalne wymagania wykończeniowe – produkcja kształtów netto
6. niezawodna i wysokiej jakości produkcja – niskie współczynniki odrzuceń, mała zmienność itp.

nie istnieje proces produkcyjny, który może jednocześnie spełniać wszystkie te wymagania; co najważniejsze, niektóre z tych wymagań mogą się wzajemnie wykluczać. Porównanie 5 najczęstszych procesów przedstawiono poniżej.

porównanie technik wytwarzania kompozytów (1)

formowanie kontaktowe

schemat formowania styków (1)

jest to najstarszy i najbardziej prymitywny proces produkcyjny, ale także najczęściej stosowany na całym świecie. Żywica do formowania stykowego jest nakładana ręcznie na suche zbrojenie umieszczone na powierzchni narzędzia i może być porównywana do klejenia papieru ściennego za pomocą pędzla. Narzędzie i tkanina są następnie zamykane przez worek próżniowy, a powietrze pod workiem jest usuwane w celu utwardzenia laminatu pod ciśnieniem atmosferycznym. Ponieważ jednak stosowane ciśnienie jest stosunkowo niskie, a utwardzanie zwykle następuje w temperaturze pokojowej, frakcja objętościowa zbrojenia jest ograniczona do naturalnej gęstości upakowania. Ponadto jakość jest całkowicie zależna od umiejętności pracowników, a ze względu na trudności w niezawodnym gwarantowaniu wysokiej jakości laminatów prawie niemożliwe jest zakwalifikowanie formowanych kontaktowo elementów konstrukcyjnych do samolotów komercyjnych. Wreszcie, ze względu na ograniczone ciśnienie zewnętrzne pustka jest trudna do kontrolowania, co ma duży wpływ na zmienność grubości laminatów.

HMS Wilton wzmocniony tworzywem sztucznym (2)

z drugiej strony Proces jest bardzo elastyczny, idealny do jednorazowej produkcji i wymaga minimalnej infrastruktury. Podczas gdy formowanie stykowe jest procesem preferowanym w przypadku bardzo dużych konstrukcji, elastyczność geometryczna jest bardziej ograniczona w zakresie tworzenia części z drobnymi detalami, promieniami narożników itp. Z tego powodu proces ten jest szeroko stosowany w przemyśle stoczniowym z włókna szklanego/żywicy poliestrowej oraz w szybowcach.

Torba / autoklaw

Prepreg Layup do kuracji w autoklawie(1)

W zaawansowanych kompozytach procesy autoklawowe są zdecydowanie najczęściej stosowane, a formowanie w autoklawie jest procesem wybieranym przez przemysł lotniczy. Procesy te wykorzystują wstępnie impregnowane warstwy jednokierunkowe lub tkaniny tkane, które zostały częściowo utwardzone lub beta-etapowane. Jedną z wad jest to, że pre-preg musi być przechowywany w zamrażarce, aby zapobiec odpadaniu żywicy. Wiele warstw prepreg jest układanych na powierzchni narzędzia za pomocą wstępnie zdefiniowanych orientacji włókien, aby uzyskać wymaganą grubość, a następnie pokrywanych folią rozdzielającą, tkaniną odpowietrzającą i workiem próżniowym lub silikonowym workiem ciśnieniowym. Powietrze jest wyciągane z worka w celu wytworzenia próżni, a narzędzie ogrzewa się w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu w celu utwardzenia żywicy. Zasadniczo wiele cykli demontażu odbywa się poprzez pokrycie laminatu i zastosowanie podciśnienia po co 3-4 warstwach w celu usunięcia nadmiaru powietrza między warstwami. Zmniejsza to współczynnik luzem i pomaga zapobiegać rozwarstwieniom między warstwami i kontroluje wymiar grubości. Regularne cykle demontażu i wystarczające ciśnienie hydrostatyczne na części podczas utwardzania to dwa podstawowe wymagania dla uzyskania dobrych listew. Wydajność formowania w autoklawie jest na ogół dość niska, ponieważ ręczne cykle układania, pakowania i wyjmowania z formy zużywają znaczną ilość pracy i czasu. Co więcej, nakłady inwestycyjne autoklawów są ogromne, co ogranicza ich wykorzystanie do większych struktur, w których wydatki te są uzasadnione. Ponieważ pre-preg nie jest już w stanie o niskiej wartości dodanej, koszty materiałów są również wyższe.

kanapka O Strukturze Plastra Miodu z Pre-preg do utwardzania w autoklawie(1)

elastyczność geometryczna zarówno pod względem kształtu, jak i rozmiaru jest lepsza niż w przypadku większości procesów. Ostatnio udało się wyprodukować całą podłogę śmigłowca w jednym kawałku, co nie byłoby możliwe przy metalicznym podejściu. Listwy autoklawowe są często używane w połączeniu z rdzeniami o strukturze plastra miodu, dzięki czemu można wytwarzać bardzo lekkie elementy. Jest to jeden z powodów, dla których dominacja listew autoklawowych wydaje się bardzo prawdopodobna w najbliższej przyszłości, przynajmniej w środowisku lotniczym.

schemat procesu nawijania włókien(1)

W nawijaniu włókien ciąg włókien przechodzi przez kąpiel żywicy i nawija się na trzpień obrotowy, przesuwając się wzdłużnie wzdłuż osi obracającego się trzpienia. O ile nie stosuje się przyczepnych wstępnie impregnowanych kabli z włókna, ścieżka, po której następuje Holowanie, musi ściśle podążać ścieżką geodezyjną (ścieżki włókien, które nie powodują ślizgania się włókien, jeśli są naprężone). Każda prosta ścieżka spiralna na walcu jest zdefiniowana jako ścieżka geodezyjna, ale po wprowadzeniu krzywizny w dwóch kierunkach (np. kuli ziemskiej) liczba możliwych ścieżek staje się bardzo ograniczona. Z tego powodu elastyczność właściwości jest raczej ograniczona, tak że uzwojenie żarnika jest zwykle używane do produkcji rurociągów, zbiorników ciśnieniowych i silników rakietowych. Zwłaszcza zbiorniki ciśnieniowe sprzyjają nawijaniu włókien, ponieważ mają dwa wyraźnie określone kierunki naprężeń (obręcz i naprężenia wzdłużne), które mogą być dostosowane do kierunku nawijania.

jedną z wad uzwojenia żarnika jest to, że trzpień jest często zamknięty w uzwojeniu. Jeśli jako trzpień stosuje się wkładkę z metalu lub polimeru, może ona stanowić stałą część konstrukcji, ale bardziej powszechne jest, że uzwojenie jest rozcięte na końcach, aby usunąć część. Elastyczność geometryczna jest również ograniczona przez konieczność nawijania wokół okrągłych lub pryzmatycznych listew. Jedną z głównych zalet jest to, że proces nadaje się do automatyzacji tak, że czasy cykli i koszty pracy mogą być utrzymywane na niskim poziomie przy wysokiej niezawodności i jakości. Ten ostatni aspekt jest jednym z powodów, dla których podejmowane są wysiłki na rzecz poszerzenia granic geometrycznych procesu i możliwych zastosowań.

formowanie przenoszące żywicę (RTM)

schemat procesu formowania transferowego żywicy(1)

RTM nie może być uważany za pojedynczy proces, ale jest lepiej postrzegany jako “filozofia produkcji, w której żywica i włókna są oddzielone od siebie do ostatniej chwili” (Potter, 1996). Jednak wszystkie warianty procesu mają wspólne cechy trzymania włókien nieoczyszczonych w zamkniętej wnęce narzędzia z różnicą ciśnień przyłożoną do zasilania żywicą w taki sposób, że żywica przenika do zbrojenia. Narzędzie może być sztywne lub zawierać elementy elastyczne. Nacisk konsolidacyjny na narzędzie jest stosowany za pomocą zacisków mechanicznych, Prasy narzędziowej lub przy użyciu próżni wewnętrznej i określa uzyskaną frakcję objętościową włókna w odniesieniu do żywicy. RTM był używany od 1970 roku do budowy radarów, a także łopatek sprężarek aeroengine. Głównym motorem dalszego rozwoju procesów RTM jest opracowanie metod produkcji, które mogą przezwyciężyć ograniczenia złożoności geometrycznej narzucone przez listwy autoklawowe. Pod względem wydajności cykle są niższe niż większość innych procesów, a w przemyśle motoryzacyjnym małe komponenty są wytwarzane w ciągu kilku minut.

Panel samochodowy produkowany przez RTM

główną zaletą RTM jest wykorzystanie materiałów o niskiej wartości dodanej (suche włókna i żywice o niskiej lepkości), które nie muszą być przechowywane w zamrażarkach, co obniża koszty materiałów i obsługi. Główne zalety RTM leżą jednak w ich geometrycznej i właściwości elastyczności. RTM może być stosowany z tkaninami szytymi UD, tkaninami i tkaninami 3D, a Wtrysk żywicy można zmieniać, aby kontrolować frakcję objętościową, a tym samym sztywność i wytrzymałość elementu. Ponadto małe elementy z bardzo drobnymi detalami są wytwarzane na sztywnym metalowym oprzyrządowaniu, podczas gdy większe elementy mogą być wytwarzane na elastycznych formach. Wreszcie, dzięki ściśle kontrolowanemu procesowi możliwe jest tworzenie listew o kształcie siatki przy minimalnych wymaganiach wykończeniowych. Jednak wszystko to odbywa się kosztem nieco trudniejszej techniki produkcji. Aby zagwarantować wysokiej jakości komponenty, Wtrysk i przepływ żywicy muszą być ściśle kontrolowane, aby wszystkie zbrojenia były jednakowo zwilżone. Wymaga to dość zaawansowanych symulacji dynamiki płynów i rozległych testów w celu uzyskania kształtu formy, który umożliwia równomierny przepływ żywicy do wszystkich części komponentu.

Pultrusion

schemat procesu pultruzji(1)

W tym procesie włókna są pobierane z płyty korzeniowej i przepuszczane przez kąpiel żywiczną w celu impregnacji włókien żywicą. Impregnowane włókna są następnie przepuszczane przez matrycę, aby usunąć nadmiar żywicy i wstępnie uformować przybliżony ostateczny kształt. Następnie wprowadza się matrycę utwardzającą, która przyjmuje kształt końcowego wymaganego przekroju pultrudowanej części. Matryca utwardzająca stosuje ciepło do składnika w celu konsolidacji żywicy, a utwardzony, ukształtowany profil jest wyciągany z matrycy pod naprężeniem. Oznacza to, że wydajność może być bardzo wysoka w bieżącej produkcji, ale spadnie w przypadku mniejszych wolumenów produkcji, które wymagają zmian w nowych matrycach przekrojowych. Ponieważ operacja jest zautomatyzowana koszty pracy są niskie, a niezawodność i jakość komponentów jest wysoka. Proces jest zazwyczaj ograniczony do elementów o stałym przekroju, co znacznie ogranicza zastosowania. Pultruzja była bardzo mało stosowana w środowiskach lotniczych, ale znalazła zastosowanie w produkcji znormalizowanych belek profilowych do konstrukcji inżynierskich.

zautomatyzowane procesy

wykorzystanie robotyki w produkcji kompozytów rośnie w szybkim tempie i jest prawdopodobnie najbardziej obiecującą technologią na przyszłość. Oczywiste zalety automatyzacji procesu produkcyjnego obejmują zmniejszoną zmienność wymiarów i mniejszą liczbę wad produkcyjnych. Ponadto materiał paszowy może być wykorzystywany bardziej efektywnie, a koszty pracy są zmniejszone. Jedną z obiecujących klas systemów są tak zwane Automated Fibre Placement (AFP), które wykorzystują zrobotyzowaną głowicę umieszczającą włókna, która nakłada wiele wstępnie impregnowanych kabli “taśmy szczelinowej”, umożliwiając cięcie, zaciskanie i ponowne uruchamianie każdego pojedynczego holu. Podczas gdy głowica robota podąża określoną ścieżką włókien, przewody są podgrzewane na krótko przed osadzeniem, a następnie zagęszczane na podłożu za pomocą specjalnego wałka. Dzięki wysokiej wierności obecnej technologii robotów maszyny AFP mogą zapewnić wysoką wydajność i obsługiwać złożone geometrie. Obecne zastosowania obejmują produkcję kadłuba Boeinga 787 i nawijanie kwadratowych skrzynek, które są następnie rozcięte wzdłużnie, aby utworzyć dwie sekcje “C”dla skrzydeł. Zintegrowane systemy produkcyjne zaprojektowane przez firmy takie jak ElectroImpact oferują ekscytujące możliwości pod klucz dla przyszłych konstrukcji lotniczych. Systemy te łączą wiele procesów produkcyjnych, na przykład układanie włókien i wytwarzanie addytywne na jednej głowicy robota, a tym samym ułatwiają produkcję mieszanych i zintegrowanych konstrukcji z mniejszą liczbą połączeń i połączeń. Systemy te umożliwią również inżynierom projektowanie bardziej wydajnych konstrukcji, takich jak zintegrowane panele kompozytowe ortogrid lub isogrid, które są obecnie trudne do ekonomicznej produkcji na dużą skalę.