EN
Důvod „Vyžaduje výjimečnou řeznou přesnost“ u UD prepregu
Význam rozměrové přesnosti a kvality řezu
Na mikronové úrovni vyžaduje řezání UD předimpregnovaných materiálů sofistikované znalosti v oblasti strukturálního inženýrství. Řezy o tloušťce až 0,1 mm způsobují problémy. V leteckých kompozitních aplikacích klesá nosná kapacita o 30 %. K tomu dochází kvůli koncentracím napětí, které vznikají již při nejmenších nesrovnalostech v zarovnání. U jednosměrného uhlíkového vlákna jde o to, aby byla vlákna správně zarovnána, zachycena a přímá. Hrana, která je spájená, rozvlákněná nebo odštěpená, není v souladu s tím, jak vlákna přenášejí zatížení skrz strukturu. Proto byla technologie břitů navržena tak, aby zlepšila kontrolu nad tahem pryskyřice i vlákny během řezání – až do míry, že poměr délky špičky k její šířce je navržen na hodnotu vyšší než 90:1. Kvůli velkému množství tepla vznikajícímu třením, které rovněž rychle překračuje 60 °C, dochází k předčasnému tuhnutí epoxidové pryskyřice. V mnoha oblastech technicky navrhovaných kompozitů se pryskyřice ztuhne dříve, než by měla. Tyto předčasné tuhnutí vytvářejí nejslabší místa, která se následně prasknou v důsledku únavy materiálu.
Jak citlivost na pryskyřici a zarovnání vláken omezuje meze tolerance
Termosetová pryskyřičná matrice v materiálech UD prepreg vyvolává některé velmi specifické výzvy při řezání. Pryskyřičná matrice se měkne v reakci na zvýšenou teplotu a nedávné studie kompozitních materiálů ukazují, že při rychlostech řezání přesahujících 2 metry za sekundu se houževnatost pryskyřice snižuje o 15 až 20 % v důsledku smykových sil vznikajících při řezání (Journal of Composite Materials, 2023). Pevnost kompozitu v materiálu UD prepreg je dána vláknitými materiály, které probíhají rovnoběžně podél délky kompozitu, avšak to také způsobuje citlivost na všechny řezné síly, které mění úhel řezání vzhledem ke směru uspořádání vláken. Konkrétně pokud se úhel řezání odchýlí o více než 3 stupně od směru uspořádání vláken, může dojít k úplnému odštěpení vrstev (delaminaci), čímž se sníží přilnavost vrstev až o 40 %. Tyto dvě výzvy proto vyžadují velmi přesné řezání s tolerancemi ± 0,05 mm a tím i potřebu pokročilých řezacích technik, které dokáží omezit řezné vibrace na méně než 5 mikrometrů a jsou vybaveny systémy pro sledování v reálném čase, aby se zabránilo tepelné degradaci pryskyřice.
Vývoj technologií řezání
Řezné nástroje a technologie: koncepty a problémy
Při malosériové výrobě složitých konstrukcí nelze dosud maloměrné jednosměrné předimpregnované materiály (prepregy) řezat automatickými procesy. Pro tento účel jsou nejvhodnější pevné rotační čepele. Horní i dolní části rotačních nůžů jsou vyrobeny z pevných karbidových hrotů. Tyto hroty zachovávají svou ostrou hranu po delší dobu při řezání abrazivních uhlíkových vláken, což znamená nižší riziko posunutí jednosměrných vláken při řezání. Ocelové hroty nelze použít, protože se při abrazivním řezání nadměrně zahřívají a tupí. Protože karbidové hroty lépe vedou teplo, je při řezání méně ovlivněna oblast hrotu nůžky a tím i okolní pevné pryskyřičné oblasti prepregu. Správné řezání vyžaduje udržování hrotu nůžky pod různými úhly vzhledem k povrchu nůžky, obvykle přibližně pod úhlem 45 stupňů, a rovnoměrné působení síly po celé délce řezu. Problémy s okraji řezaných prepregů vznikají často. Konstrukční studie ukazují, že většina poruch kompozitních materiálů z prepregů je způsobena špatně definovanými okraji. To činí cvičení řezání klíčovým pro každou osobu, která bude s prepregy pracovat.
Používejte jednoprůchodové řezy ostrými čepelemi, abyste snížili riziko odvrstvení
Při výrobě složitějších tvarů používejte pravítka nebo šablony
Okraje okamžitě zkontrolujte na přítomnost odtržení pryskyřice
Nesprávné manuální techniky stále zůstávají hlavní příčinou odpadu materiálu – odhadovaná ztráta činí ročně 740 000 USD pro průměrně velké zařízení (Ponemon Institute, 2023). Přesnost závisí na správné rovnováze mezi ostrými čepelemi (k snížení bočních sil působících při řezání) a záměrnými, kontrolovanými pohyby, které zajistí, že se řez bude udržovat v požadované toleranci ±0,5 mm pro leteckou výrobu.
Název: Automatické systémy pro vysoce přesné řezání UD předimpregnovaných materiálů
Název: CNC systémy s taženým nožem: nejlepší řezání UD předimpregnovaných materiálů s adaptivní regulací tlaku a geometrickou úpravou
CNC systémy s taženým nožem jsou vynikající pro řezání jednosměrných kompozitních předimpregnovaných materiálů, protože dokáží dynamicky upravovat tlak čepele během řezání. Tato úprava tlaku pomáhá minimalizovat nežádoucí deformaci vláken na okraji řezu. Taková deformace okraje je kritické vyhnout se. I deformace vláken o pouhých 0,5 mm sníží pevnost kompozitu přibližně o 18 %, jak je doloženo v nedávném výzkumu z minulého roku. Kromě úpravy tlaku čepele jsou řezné čepele navrženy pod úhlem 15 až 30 stupňů, aby se snížilo odštěpování na okraji. Navíc konstruktéři často vybavují tažené nože speciálními hroty, které snižují výskyt vytahování pryskyřice během řezání. Některé z pokročilejších systémů zahrnují aktivní zpětnovazební řízení prostřednictvím monitorování napětí kontur během řezání. Správné řízení orientace vláken je kritické pro dosažení kompozitních součástí splňujících nejnáročnější průmyslové normy.
Vodní paprsek vs. laser: Porovnání tepelné zátěže, kvality řezu a mezi vrstvového odštěpování jednosměrných předimpregnovaných materiálů (UD prepregs)
Technologie vodního paprsku používá vodu pod vysokým tlakem smíchanou s abrazivními částicemi ke krájení materiálů. Protože řezání vodním paprskem nezahrnuje teplo, je vhodné pro řezání termosetových jednosměrných předimpregnovaných materiálů (UD prepregs). Studie z roku 2020 publikovaná v časopisu Journal of Manufacturing Processes ukázala, že řezání vodním paprskem zanechává minimální tepelně ovlivněné zóny a umožňuje vytvořit řezy (kerfy) o šířce přibližně 0,8 mm. Na rozdíl od vodních paprsků laserové střihačky vytvářejí tepelně ovlivněné zóny o teplotě 300 °C, což způsobuje tavení nebo vypařování materiálů a mezi vrstvové odštěpování v nižších vrstvách materiálu. Ačkoli jsou laserové střihačky rychlé a vynikající pro výrobu prototypů, výrobci musí jemně doladit nastavení pro konkrétní vlnové délky, aby se minimalizovalo nežádoucí uhlíkování. Šířka řezu (kerfu) u vodních paprsků činí přibližně 0,1 mm a kontrola obsahu vlhkosti je kritická, aby nedošlo ke kontaminaci předimpregnovaného materiálu.
Proč je pro jednosměrné předimpregnované materiály (UD prepregs) důležitá přesnost řezání?
Při aplikacích kompozitních materiálů v leteckém a kosmickém průmyslu může již malé nesouosost vést ke ztrátě nosné schopnosti materiálů. Proto je pro dosažení požadované pevnosti a výkonu, jakož i pro předcházení koncentraci napětí, zásadní přesnost řezání, která zajišťuje správné srovnání vrstev.
Jaké výhody mají rotační nůžky a karbidové ostří při ručním řezání jednosměrných (UD) prepregových materiálů?
Rotační nůžky s karbidovým ostřím mají delší životnost, způsobují menší nesouosost vláken a účinně odvádějí teplo, čímž brání rozkladu pryskyřice.
Jaké výhody nabízejí CNC systémy s tažným nožem při řezání jednosměrných (UD) prepregových materiálů?
CNC systémy s tažným nožem umožňují adaptivní regulaci tlaku, čímž zabrání zkreslení vláken a odštěpování (delaminaci); navíc zajišťují vysokou přesnost řezu díky sledování napětí v reálném čase.
Proč dávají výrobci přednost řezání vodním paprskem před řezáním laserovými systémy u jednosměrných (UD) prepregových materiálů?
Vodní paprsek nezpůsobuje tepelné poškození materiálů, zatímco laserové řezání může přidat teplo a oddělit materiály. Kromě toho metody řezání vodním paprskem nemají problémy s teplem.