Composites Manufacturing

under de senaste fyra decennierna har utnyttjandet av fiberförstärkt plast (FRP) i tekniska strukturer stadigt diversifierats från sportutrustning och högpresterande racerbilar, till helikoptrar och senast kommersiella flygplan. Kompositmaterial är i huvudsak en kombination av två eller flera olika material som används tillsammans för att kombinera bästa egenskaper eller ge en ny uppsättning egenskaper som inget av de ingående materialen kan uppnå på egen hand. Tekniska kompositer byggs vanligtvis upp från enskilda skikt som har formen av kontinuerliga, raka fibrer (t.ex. kol, glas, aramid etc.) inbäddad i en värdpolymermatris (t.ex. fenol, polyester, epoxi etc.), som lamineras lager för lager för att bygga upp det slutliga materialet/strukturen.

när det gäller tillverkning av avancerade fiberförstärkta kompositer är den enskilt viktigaste aspekten att känna igen att materialet och strukturen skapas samtidigt. Följaktligen påverkar eventuella defekter som induceras under tillverkningsprocessen direkt styrkan och styvheten hos materialet och strukturen. Varje liten detalj är viktig.

ett stort antal komposittillverkningsprocesser har utvecklats under de senaste 40 åren, inklusive: kontaktgjutning, kompressionsgjutning, vakuumpåse/autoklav gjutning, rotationsgjutning, hartsöverföringsgjutning (RTM), tejpförpackning, filamentlindning, pultrusion, expanderande blåsgjutning etc. Alla dessa processer har flera egenskaper gemensamt; förstärkningarna förs in i önskad form i ett verktyg eller form, harts och fibrer förs samman eventuellt under förhöjd temperatur och tryck för att bota hartset, och formningen avlägsnas från delen när hartset har härdat. De olika tillverkningsteknikerna kan antingen klassificeras som direkta processer (t.ex. RTM, pultrusion, kontaktgjutning) som använder separata fibrer och harts sammanförda vid gjutningspunkten eller indirekta processer som använder fibrer som är förimpregnerade med harts (t.ex. vacumm väska / autoklav gjutning, komprimering gjutning).

valet av tillverkningsprocessen kommer naturligtvis att ha stor effekt på komponentens kvalitet, mekaniska egenskaper och tillverkningskostnad. Enligt Potter (1996) kan en idealisk process definieras som att ha:

1. hög produktivitet-korta cykeltider, lågt arbetsinnehåll etc.
2. minsta materialkostnad – material med lågt mervärde, låg materiallagrings – och hanteringskostnad
3. maximal geometrisk flexibilitet – formkomplexitet och komponentens storlek
4. maximal egenskapsflexibilitet – utbud av matriser, utbud av armeringstyper, förmåga att kontrollera mekaniska egenskaper och skräddarsy egenskaper
5. minsta efterbehandlingskrav – netformtillverkning
6. pålitlig och högkvalitativ tillverkning-låga avvisningshastigheter, låg variation etc.

det finns ingen tillverkningsprocess som samtidigt kan uppfylla alla dessa krav; viktigast av allt kan vissa av dessa krav vara ömsesidigt exklusiva. En jämförelse av de 5 vanligaste processerna visas nedan.

jämförelse av Komposittillverkningstekniker (1)

kontakt gjutning

kontakt gjutning schematisk (1)

detta är den äldsta och mest primitiva tillverkningsprocessen men också den mest använda runt om i världen. I kontakt gjutharts appliceras manuellt på en torr förstärkning placerad på en verktygsyta och kan jämföras med limning av väggpapper med en borste. Verktyget och tyget omges sedan av en vakuumpåse och luften under påsen avlägsnas för att bota laminatet under atmosfärstryck. Eftersom det applicerade trycket är relativt lågt och härdning vanligtvis sker vid rumstemperatur är volymfraktionen av förstärkning begränsad till den naturliga packningstätheten. Dessutom är kvaliteten helt beroende av arbetskraftens skicklighet och på grund av svårigheten att på ett tillförlitligt sätt garantera högkvalitativa laminat är det nästan omöjligt att kvalificera kontaktgjutna konstruktionskomponenter för kommersiella flygplan. Slutligen, på grund av den begränsade yttre tryck voidage är svårt att kontrollera, vilket har en stor effekt på variationen i tjockleken av laminat.

HMS Wilton Plastförstärkt fartyg (2)

å andra sidan är processen mycket flexibel, idealisk för engångsproduktion och kräver minimal Infrastruktur. Även om kontaktgjutning är processval för mycket stora strukturer är den geometriska flexibiliteten mer begränsad när det gäller att skapa delar med fina detaljer, hörnradier etc. Av denna anledning används processen i stor utsträckning i glasfiber / polyesterharts varvsindustrin och för segelflygplan.

Vac. Väska / autoklav

Prepreg Layup för autoklav bota (1)

i avancerade kompositer autoklav processer är den i särklass mest använda och autoklav gjutning är processen för val för flygindustrin. Dessa processer använder förimpregnerade enkelriktade skikt eller vävda dukar, som delvis har härdats eller beta-iscensatt. En nackdel är att pre-preg måste förvaras i en frys för att förhindra att hartset går av. Flera prepreg skikt läggs ner på en verktygsyta med de fördefinierade fiberorienteringar, att bygga upp den erforderliga tjockleken, och sedan täckt med en release film, paus tyg och en vakuumpåse eller kisel tryckpåse. Luften dras ut ur påsen för att skapa ett vakuum och verktyget värms under förhöjd temperatur och tryck för att bota hartset. I princip utförs flera avformningscykler genom att täcka laminatet och applicera ett vakuum efter varje 3-4 skikt för att avlägsna eventuellt överskott av luft mellan skikten. Detta minskar bulkfaktorn och hjälper till att förhindra delaminationer mellan skikt och kontrollerar tjockleksdimensionen. Regelbundna avformningscykler och tillräckligt hydrostatiskt tryck på delen under härdning är de två grundläggande kraven för att uppnå bra lister. Produktiviteten hos autoklav gjutning är i allmänhet ganska låg eftersom manuell lay-up, uppsamlare och avformning cykler förbrukar betydande arbete och tid. Furtermore, kapitalutgifterna för autoklaver är enorma, vilket begränsar dess användning till större strukturer där dessa utgifter är motiverade. Eftersom pre-preg inte längre är i ett lågt mervärde är materialkostnaderna också högre.

Honeycomb Sandwich med Pre-preg för autoklav bota (1)

geometrisk flexibilitet i både form och storlek är bättre än för de flesta processer. Nyligen har det varit möjligt att tillverka hela golvet i en helikopter i ett stycke, vilket inte skulle vara möjligt med ett metalliskt tillvägagångssätt. Autoklav lister används ofta i samband med honeycomb kärnor så att mycket lätta komponenter kan tillverkas. Detta är en av anledningarna till att dominansen av autoklav lister verkar mycket sannolikt att fortsätta inom en snar framtid,åtminstone i flyg-och miljö.

trådlindning

schematisk av Filamentlindningsprocessen (1)

vid filamentlindning passeras en fiberkabel genom ett hartsbad och lindas på en roterande Dorn genom att korsa längs den roterande dornens axel. Om inte klibbiga förimpregnerade fibertrådar används måste den bana som bogseringen följer noggrant följa en geodetisk bana (fiberbanor som inte får fibrer att glida om de är spända). Varje enkel spiralformad väg på en cylinder definieras som en geodetisk väg men när krökningen i två riktningar införs (t.ex. en jordglob) blir antalet möjliga vägar mycket begränsat. Av denna anledning är egendomsflexibilitet ganska begränsad så att filamentlindning vanligtvis används för tillverkning av rörledningar, tryckkärl och raketmotorer. Speciellt, tryckkärl bidrar till filamentlindning eftersom de har två tydligt definierade spänningsriktningar (bågen och längsgående spänningar) som kan rymmas av lindningsriktningen.

en nackdel med filamentlindning är att dornen ofta är innesluten i lindningen. Om ett foder av metall eller polymer används som en dorn kan det bilda en permanent del av strukturen men det är vanligare att lindningen är slitsad i ändarna för att demould delen. Den geometriska flexibiliteten begränsas också av att behöva lindas runt cirkulära eller prismatiska lister. En stor fördel är att processen lämpar sig för automatisering så att cykeltider och arbetskostnader kan hållas låga med hög tillförlitlighet och kvalitet. Denna senare aspekt är en av anledningarna till att ansträngningar görs för att bredda processens geometriska gränser och möjliga tillämpningar.

harts överföring gjutning (RTM)

schematisk av harts överföring gjutning Process (1)

RTM kan inte betraktas som en enda process men betraktas bättre som en “tillverkningsfilosofi där hartset och fibrerna hålls isär till sista stund” (Potter, 1996). Alla processvariationer har emellertid de gemensamma egenskaperna att hålla oresolerade fibrer i en sluten verktygshålighet med ett differenstryck applicerat på en tillförsel av harts så att hartset tränger in i förstärkningen. Verktyget kan vara styvt eller innehålla flexibla element. Konsolideringstrycket på verktyget appliceras med hjälp av mekaniska klämmor, en verktygspress eller användning av internt vakuum och definierar den uppnådda volymfraktionen av fiber med avseende på harts. RTM har använts sedan 1970-talet för att bygga radomer samt aeroengine kompressorblad. Den främsta drivkraften bakom vidareutveckling av RTM-processer är att utforma tillverkningsmetoder som kan övervinna de geometriska komplexitetsbegränsningar som åläggs av autoklav lister. När det gäller produktivitetscyklerna är tiderna lägre än de flesta andra processer och inom bilindustrin tillverkas små komponenter inom några minuter.

Bilpanel Tillverkad via RTM

en stor fördel med RTM är användningen av material med lågt mervärde (torra fibrer och hartser med låg viskositet) som inte behöver lagras i frysar, vilket minskar material-och hanteringskostnaderna. De stora fördelarna med RTM ligger dock inom deras geometriska och egenskapsflexibilitet. RTM kan användas med UD-sydda dukar, vävda tyger och 3D-tyger, och hartsinjektionen kan varieras för att styra volymfraktionen och därmed styvheten och styrkan hos komponenten. Dessutom tillverkas små komponenter med mycket fina detaljer på styva metallverktyg medan större komponenter kan tillverkas på flexibla formar. Slutligen, med en noggrant kontrollerad process är det möjligt att skapa nätformade lister med minimala efterbehandlingskrav. Men allt detta kommer till kostnaden med en lite svårare produktionsteknik. För att garantera högkvalitativa komponenter måste hartsinsprutningen och hartsflödet kontrolleras noggrant så att all förstärkning är lika fuktad. Detta kräver ganska avancerade fluid dynamics simuleringar och omfattande tester för att komma fram till en formform som tillåter även harts flöde till alla delar av komponenten.

Pultrusion

schematisk av Pultrusionsprocessen (1)

i denna process dras fibrer från en creelbräda och passeras genom ett hartsbad för att impregnera fibrerna med harts. De impregnerade fibrerna passeras sedan genom en pre-die för att avlägsna eventuellt överskott av harts och för att förforma den ungefärliga slutliga formen. Härdningsformen matas sedan in, vilken har formen av det slutliga erforderliga tvärsnittet av den pultruderade delen. Härdningsformen applicerar värme på komponenten för att konsolidera hartset och den härdade, formade profilen dras från munstycket under spänning. Detta innebär att produktiviteten kan vara mycket hög i en pågående produktion men kommer att falla för lägre produktionsvolymer som kräver förändringar i nya tvärsnittsmutter. Eftersom verksamheten är automatiserad är arbetskraftskostnaderna låga och komponenternas tillförlitlighet och kvalitet är hög. Processen är i allmänhet begränsad till konstanta tvärsnittskomponenter, vilket i hög grad begränsar applikationerna. Pultrusion har använts mycket lite i flyg-och rymdmiljöer men har funnit tillämpning vid tillverkning av standardiserade profilbalkar för anläggningsstrukturer.

automatiserade processer

användningen av robotik i komposittillverkning växer snabbt och är förmodligen den mest lovande tekniken för framtiden. Uppenbara fördelar med att automatisera tillverkningsprocessen inkluderar minskad variation i dimensioner och mindre tillverkningsfel. Dessutom kan fodermaterialet användas mer effektivt och arbetskraftskostnaderna minskas. En lovande klass av system är de så kallade Automated Fibre Placement (AFP)-maskinerna som använder ett robotfiberplaceringshuvud som avsätter flera förimpregnerade drag av “slitstejp” som möjliggör skärning, fastspänning och omstart av varje enskilt släp. Medan robothuvudet följer en specifik fiberväg värms bogserna kort före avsättning och komprimeras sedan på substratet med hjälp av en speciell rulle. På grund av den höga trovärdigheten hos nuvarande robotteknik kan AFP-maskiner ge hög produktivitet och hantera komplexa geometrier. Nuvarande applikationer inkluderar tillverkning av Boeing 787-flygkroppen och lindning av fyrkantiga lådor, som sedan slits i längdriktningen för att göra två ‘C’ – sektioner för vingbalkar. Integrerade tillverkningssystem som utformats av företag som ElectroImpact erbjuder spännande nyckelfärdiga funktioner för framtida flygplansstrukturer. Dessa system kombinerar flera tillverkningsprocesser, till exempel fiberplacering och additiv tillverkning på ett robothuvud, och underlättar därför produktionen av blandade och integrerade strukturer med färre fogar och anslutningar. Dessa system gör det också möjligt för ingenjörer att utforma effektivare strukturer, såsom integrerade ortogrid-eller isogrid-kompositpaneler, som för närvarande är svåra att tillverka ekonomiskt i stor skala.

Filament Sår Boeing 787 Flygkroppen (3)