fabricarea compozitelor

de-a lungul ultimelor patru decenii, exploatarea materialelor plastice armate cu fibre (FRP) în structurile inginerești s-a diversificat constant de la echipamente sportive și mașini de curse de înaltă performanță, la elicoptere și, cel mai recent, avioane comerciale. Materialele compozite sunt în esență o combinație de două sau mai multe materiale diferite care sunt utilizate împreună pentru a combina cele mai bune proprietăți sau pentru a conferi un nou set de caracteristici pe care niciunul dintre materialele constitutive nu le-ar putea realiza singur. Compozitele inginerești sunt de obicei construite din straturi individuale care iau forma fibrelor continue, drepte (de ex. carbon, sticlă, aramid etc.) încorporat într-o matrice polimer gazdă (de ex. fenolice, poliester, epoxidice etc.), care sunt laminate strat cu strat pentru a construi Materialul/structura finală.

în ceea ce privește fabricarea compozitelor avansate armate cu fibre, cel mai important aspect de recunoscut este că materialul și structura sunt create în același timp. În consecință, orice defecte care sunt induse în timpul procesului de fabricație influențează direct rezistența și rigiditatea materialului și a structurii. Fiecare mic detaliu este important.

un număr mare de procese de fabricație compozite au fost dezvoltate în ultimii 40 de ani, inclusiv: contact turnare, turnare prin compresie, sac de vid/turnare autoclavă, turnare prin rotație, turnare prin transfer de rășină (RTM), bandă de ambalaj, filament de lichidare, pultrusion, extinderea turnare vezicii urinare etc. Toate aceste procese au mai multe caracteristici în comun; armăturile sunt aduse în forma necesară într-o unealtă sau matriță, rășina și fibrele sunt reunite eventual sub temperatură și presiune ridicate pentru a vindeca rășina, iar turnarea este îndepărtată din piesă odată ce rășina s-a vindecat. Diferitele tehnici de fabricație pot fi clasificate fie ca procese directe (de ex. RTM, pultrusion, contact molding) care utilizează fibre separate și rășină reunite la punctul de turnare sau procese indirecte care utilizează fibre preimpregnate cu rășină (de ex. vacumm sac / autoclavă turnare, turnare prin compresie).

selecția procesului de fabricație va avea în mod natural un efect deosebit asupra calității, proprietăților mecanice și costului de fabricație al componentei. Potrivit lui Potter (1996), un proces ideal poate fi definit ca având:

1. productivitate ridicată-timpi scurți de ciclu, conținut scăzut de muncă etc.
2. costul minim al materialelor – materiale cu valoare adăugată redusă, costuri reduse de depozitare și manipulare a materialelor
3. flexibilitate geometrică maximă – complexitatea formei și dimensiunea componentei
4. flexibilitate maximă a proprietății – gama de matrice, gama de tipuri de armături, capacitatea de a controla proprietățile mecanice și caracteristicile Croitorilor
5. cerințe minime de finisare – fabricarea formei nete
6. fabricare fiabilă și de înaltă calitate – rate scăzute de respingere, variabilitate scăzută etc.

nu există un proces de fabricație care să poată îndeplini simultan toate aceste cerințe; cel mai important, unele dintre aceste cerințe se pot exclude reciproc. O comparație a celor mai comune 5 procese este prezentată mai jos.

Compararea tehnicilor de fabricație compozite(1)

contact turnare

contact turnare schematică (1)

acesta este cel mai vechi și mai primitiv proces de fabricație, dar și cel mai utilizat pe scară largă în întreaga lume. Rășina de turnare în contact este aplicată manual pe o armătură uscată plasată pe o suprafață a sculei și poate fi comparată cu lipirea hârtiei de perete cu o perie. Instrumentul și țesătura sunt apoi închise de o pungă de vid și aerul de sub pungă îndepărtat pentru a vindeca laminatul sub presiune atmosferică. Cu toate acestea, deoarece presiunea aplicată este relativ scăzută și vindecarea are loc de obicei la temperatura camerei, fracția de volum a armăturii este limitată la densitatea naturală de ambalare. În plus, calitatea depinde în totalitate de abilitățile forței de muncă și datorită dificultății de a garanta în mod fiabil laminate de înaltă calitate, este aproape imposibil să se califice componentele structurale turnate de contact pentru aeronavele comerciale. În cele din urmă, datorită presiunii externe limitate, golirea este dificil de controlat, ceea ce are un efect deosebit asupra variabilității grosimii laminatelor.

HMS Wilton navă armată din Plastic(2)

pe de altă parte, procesul este extrem de flexibil, ideal pentru producția unică și necesită o infrastructură minimă. În timp ce turnarea prin contact este un proces de alegere pentru structuri foarte mari, flexibilitatea geometrică este mai limitată în ceea ce privește crearea pieselor cu detalii fine, raze de colț etc. Din acest motiv, procesul este utilizat pe scară largă în construcția navală din fibră de sticlă/rășină poliesterică și pentru planoare.

Vac. Sac / autoclavă

Prepreg Layup pentru vindecarea autoclavelor(1)

în compozite avansate procesele de autoclavă sunt de departe cele mai utilizate pe scară largă și autoclavă turnare este procesul de alegere pentru industria aerospațială. Aceste procese utilizează straturi uni-direcționale pre-impregnate sau cârpe țesute, care au fost parțial vindecate sau beta-etapizate. Un dezavantaj este că pre-preg trebuie să fie păstrate într-un congelator pentru a preveni rășină de la merge-off. Mai multe straturi prepreg sunt așezate pe o suprafață a sculei cu orientările de fibre predefinite, pentru a construi grosimea necesară și apoi acoperite cu o peliculă de eliberare, o țesătură de aerisire și o pungă de vid sau o pungă de presiune din siliciu. Aerul este extras din sac pentru a crea un vid și instrumentul încălzit la temperatură ridicată și presiune pentru a vindeca rășina. În principiu, mai multe cicluri de demulding sunt efectuate prin acoperirea laminatului și aplicarea unui vid după fiecare 3-4 straturi de straturi pentru a îndepărta orice exces de aer între straturi. Acest lucru reduce factorul în vrac și ajută la prevenirea delaminărilor între straturi și controlează dimensiunea grosimii. Ciclurile regulate de demontare și presiunea hidrostatică suficientă pe piesă în timpul întăririi sunt cele două cerințe de bază pentru obținerea unor mulaje bune. Productivitatea turnării în autoclavă este în general destul de scăzută, deoarece ciclurile manuale de așezare, ambalare și demontare consumă forță de muncă și timp semnificative. Furtermore, cheltuielile de capital ale autoclavelor sunt enourmous, ceea ce constrânge utilizarea sa la structuri mai mari în care aceste cheltuieli sunt justificate. Deoarece pre-preg nu mai este într-o stare cu valoare adăugată scăzută, costurile materiale sunt, de asemenea, mai mari.

Sandwich cu fagure de miere cu Pre-preg pentru vindecarea autoclavelor (1)

flexibilitatea geometrică atât în formă, cât și în dimensiune este mai bună decât pentru majoritatea proceselor. Recent, a fost posibilă fabricarea întregului etaj al unui elicopter într-o singură bucată, ceea ce nu ar fi posibil cu o abordare metalică. Modelele Autoclave sunt adesea utilizate împreună cu miezurile de fagure, astfel încât pot fi fabricate componente foarte ușoare. Acesta este unul dintre motivele pentru care dominanța modelelor autoclave pare foarte probabil să continue în viitorul apropiat, cel puțin în mediul aerospațial.

înfășurare cu Filament

schema procesului de înfășurare a filamentului (1)

în înfășurarea filamentului, un cablu de fibre este trecut printr-o baie de rășină și înfășurat pe un dorn rotativ prin traversarea longitudinală de-a lungul axei dornului Rotativ. Cu excepția cazului în care se utilizează remorci din fibre preimpregnate lipicioase, traiectoria urmată de remorcare trebuie să urmeze îndeaproape o traiectorie geodezică (traiectorii din fibre care nu cauzează alunecarea fibrelor dacă sunt tensionate). Orice cale elicoidală simplă pe un cilindru este definită a fi o cale geodezică, dar odată introdusă curbura în două direcții (de exemplu, un glob) numărul de căi posibile devine foarte limitat. Din acest motiv, flexibilitatea proprietății este mai degrabă constrânsă, astfel încât înfășurarea filamentului este de obicei utilizată pentru fabricarea conductelor, a vaselor sub presiune și a motoarelor rachetelor. În special, vasele sub presiune sunt favorabile înfășurării filamentului, deoarece au două direcții de stres clar definite (cercul și tensiunile longitudinale) care pot fi acomodate de direcția de înfășurare.

un dezavantaj al înfășurării filamentului este că dornul este adesea închis în înfășurare. Dacă o căptușeală din metal sau polimer este utilizată ca Dorn, aceasta poate forma o parte permanentă a structurii, dar este mai frecvent ca înfășurarea să fie decupată la capete pentru a demula piesa. Flexibilitatea geometrică este, de asemenea, constrânsă de necesitatea de a înfășura în jurul matrițelor circulare sau prismatice. Un avantaj major este că procesul se pretează automatizării, astfel încât timpii de ciclu și costurile forței de muncă pot fi menținute scăzute, cu fiabilitate și calitate ridicate. Acest ultim aspect este unul dintre motivele pentru care se depun eforturi pentru lărgirea limitelor geometrice ale procesului și a posibilelor aplicații.

turnare prin transfer de rășină (RTM)

schema procesului de turnare prin transfer de rășină (1)

RTM nu poate fi considerat un singur proces, ci este mai bine privit ca o “filozofie de fabricație în care rășina și fibrele sunt ținute deoparte până în ultimul moment” (Potter, 1996). Cu toate acestea, toate variațiile de proces au caracteristicile comune ale menținerii fibrelor nerezinate într-o cavitate închisă a sculei, cu o presiune diferențială aplicată unei surse de rășină, astfel încât rășina să pătrundă în armătură. Instrumentul poate fi rigid sau poate conține elemente flexibile. Presiunea de consolidare asupra sculei este aplicată prin intermediul unor cleme mecanice, a unei prese de scule sau a utilizării vidului intern și definește fracția de volum obținută din fibră în raport cu rășina. RTM a fost folosit încă din anii 1970 pentru a construi radomi, precum și lame de compresor aeroengine. Principalul motor din spatele dezvoltării ulterioare a proceselor RTM este de a elabora metode de fabricație care pot depăși limitările de complexitate geometrică impuse de matrițele autoclave. În ceea ce privește ciclurile de productivitate, timpii sunt mai mici decât majoritatea celorlalte procese, iar în industria auto componentele mici sunt fabricate în câteva minute.

panou auto fabricat prin RTM

un avantaj major al RTM este utilizarea materialelor cu valoare adăugată scăzută (fibre uscate și rășini cu vâscozitate scăzută) care nu trebuie depozitate în congelatoare, reducând astfel costurile materialelor și manipulării. Avantajele majore ale RTM se află totuși în flexibilitatea lor geometrică și a proprietății. RTM poate fi utilizat cu cârpe cusute UD, țesături și țesături 3D, iar injecția de rășină poate fi variată pentru a controla fracția de volum și, prin urmare, rigiditatea și rezistența componentei. În plus, componentele mici cu detalii foarte fine sunt fabricate pe scule metalice rigide, în timp ce Componentele mai mari pot fi produse pe matrițe flexibile. În cele din urmă, cu un proces controlat îndeaproape, este posibil să se creeze muluri în formă de plasă cu cerințe minime de finisare. Cu toate acestea, toate acestea vin la cost cu o tehnică de producție ușor mai complicată. Pentru a garanta componente de înaltă calitate, injecția de rășină și fluxul de rășină trebuie controlate îndeaproape, astfel încât toată armătura să fie la fel de umezită. Acest lucru necesită simulări destul de avansate ale dinamicii fluidelor și teste extinse pentru a veni cu o formă de matriță care să permită curgerea uniformă a rășinii către toate părțile componentei.

Pultruzie

schema procesului de Pultruzie (1)

în acest proces, fibrele sunt extrase dintr-o placă de creel și trecute printr-o baie de rășină pentru a impregna fibrele cu rășină. Fibrele impregnate sunt apoi trecute printr-o pre-matriță pentru a îndepărta orice exces de rășină și pentru a preforma forma finală aproximativă. Se introduce apoi matrița de întărire, care ia forma secțiunii transversale finale necesare a părții pultrudate. Matrița de întărire aplică căldură componentei pentru a consolida rășina, iar profilul întărit, în formă, este tras din matriță sub tensiune. Aceasta înseamnă că productivitatea poate fi foarte mare într-o producție în curs, dar va scădea pentru volume mai mici de producție care necesită modificări ale noilor matrițe cu secțiune transversală. Deoarece operațiunea este automatizată, costurile forței de muncă sunt scăzute, iar fiabilitatea și calitatea componentelor sunt ridicate. Procesul este în general limitat la componente cu secțiune transversală constantă, ceea ce restricționează foarte mult aplicațiile. Pultrusion a fost utilizat foarte puțin în mediile aerospațiale, dar a găsit aplicații în fabricarea grinzilor de profil standardizate pentru structurile de inginerie civilă.

procese automatizate

utilizarea roboticii în fabricarea compozitelor crește într-un ritm rapid și este probabil cea mai promițătoare tehnologie pentru viitor. Avantajele evidente ale automatizării procesului de fabricație includ variabilitatea redusă a dimensiunilor și mai puține defecte de fabricație. În plus, materialul furajer poate fi utilizat mai eficient și costurile forței de muncă sunt reduse. O clasă promițătoare de sistem sunt așa-numitele mașini automate de plasare a fibrelor (AFP) care utilizează un cap de plasare a fibrelor robotizate care depozitează mai multe remorci pre-impregnate de “bandă cu fantă” care permit tăierea, prinderea și repornirea fiecărei remorci. În timp ce capul robotic urmează o cale specifică de fibră, remorcile sunt încălzite cu puțin timp înainte de depunere și apoi compactate pe substrat folosind o rolă specială. Datorită fidelității ridicate a tehnologiei actuale a robotului, mașinile AFP pot oferi o productivitate ridicată și pot gestiona geometrii complexe. Aplicațiile actuale includ fabricarea fuselajului Boeing 787 și înfășurarea cutiilor pătrate, care sunt apoi tăiate longitudinal pentru a face două secțiuni ‘C’ pentru spărturile aripilor. Sistemele integrate de fabricație, proiectate de companii precum ElectroImpact, oferă capabilități interesante la cheie pentru viitoarele structuri de aeronave. Aceste sisteme combină mai multe procese de fabricație, de exemplu plasarea fibrelor și fabricarea aditivă pe un cap de robot și, prin urmare, facilitează producția de structuri amestecate și integrate cu mai puține îmbinări și conexiuni. Aceste sisteme vor permite, de asemenea, inginerilor să proiecteze structuri mai eficiente, cum ar fi panourile compozite ortogrid sau izogrid integrate, care sunt în prezent greu de fabricat economic pe scară largă.

Rana Cu Filament Boeing 787 Fuselaj (3)