Pas gelijkmatige druk toe bij het lamineren van koolstofvezelplaten.

Ongelijkmatige drukverdeling beïnvloedt de harsstroming en de vezelintegratie

Wanneer tijdens het lamineren van koolstofvezelplaten geen constante druk wordt uitgeoefend, wordt de stroming van het hars en de integratie van de vezels aangetast. Dit probleem is eigenlijk vrij eenvoudig te begrijpen: hars heeft de neiging om naar gebieden met lagere druk te stromen, wat betekent dat sommige gebieden 'harsarm' worden terwijl andere oververzadigd raken met hars. Er ontstaan blootliggende vezelgebieden ('droge plekken'), terwijl in andere gebieden de harsstroming te sterk is. Het gehele proces raakt hierdoor uit balans door ongelijkmatige vezelverdichting, wat de binding tussen de lagen verzwakt en de structurele integriteit of sterkte van het onderdeel aantast. Industriegegevens wijzen erop dat een ongelijkmatig drukverschil van slechts 15% over een laminaat de treksterkte kan verminderen met 30%. Het bereiken van een evenwicht bij de toepassing van druk is van het grootste belang om ervoor te zorgen dat het hars uniform over de vezels kan stromen, waardoor een juiste binding van de harsmatrix mogelijk wordt en de sterkte en duurzaamheid van de eindproducten wordt verbeterd.

Lege ruimten, droge plekken en ongelijke dikte veroorzaakt door drukgradienten.

Tijdens de productie leiden drukgradienten tot ernstige kwaliteitsproblemen. Gebieden met lage druk ontwikkelen vaak luchtzakken, waardoor het aantal lege ruimten in het composietmateriaal toeneemt. Volgens Composites Today (2023) kan een drukverandering van 5% het aantal lege ruimten met 7–12% verhogen. Wanneer er onvoldoende hars beschikbaar is om een bepaalde plek in de mal te vullen, ontstaan droge plekken, vooral rond de randen waar de druk lager is. Sommige gebieden worden gecomprimeerd, terwijl andere dikker worden, wat eveneens droge plekken veroorzaakt. Inconsistenties in het materiaal leiden tot ongelijke spanning en versnellen de materiaalafbraak. Onderzoek naar hydraulische drukkaarten laat bovendien zien dat het ook belangrijk is op te merken dat wanneer drukverschillen meer dan 10% bedragen, de aanvaardbare diktevariatie niet wordt gehaald.

Drukmallen en betrouwbare laminering van koolstofvezelplaten

Invloed van malmateriaal op thermische uitzetting en drukverlies

De keuze van het malmateriaal heeft direct invloed op de thermische stabiliteit en de druk tijdens de schuimharsverwerking. Stalen mallen bieden stijfheid, wat betekent dat ze weerstand bieden tegen afmetingsveranderingen tijdens de thermische uitharding van de schuimhars; indien echter het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt tussen de mal en het gegoten product aanzienlijk is, worden interne spanningen boven de 8 micrometer per meter per graad Celsius problematisch. Omgekeerd bieden siliconenmallen een zachter, flexibeler materiaal dat de thermische uitzetting compenseert; echter treedt bij siliconenmallen vaak een drukverlies van 15% op na herhaalde harsverwerkingscycli. Bovendien leiden interne drukrestanten onder flexibele mallen tot een verminderde functionaliteit en drukretentie, wat betekent dat ondersteunende structuren vereist zijn. Fabrikanten beginnen steeds vaker complexere configuraties toe te passen, waaronder de stijfheid van rek die zich bevindt in flexibele zones, om een beter bruikbare combinatie van stevigheid en buigzaamheid te realiseren.

Dit helpt bij het in evenwicht houden van stabiliteit versus constante aanpassingen aan lastige geometrische vereisten.

Het ontwerp van de holtegeometrie omvat afgeschuinde randen, de plaatsing van ontluchtingsopeningen en hydraulische demping.

Het ontwerp van de holte is uiterst belangrijk om de drukverschillen te verminderen die optreden bij het werken met bepaalde koolstofvezelplaten. Als de randen van de holte onder een hoek van 15 tot 25 graden zijn afgeschuind, wordt harsopbouw aan de randen van de onderdelen voorkomen en wordt de diktevariatie beperkt tot maximaal 0,1 mm. Daarom is ook de positie van de ontluchtingskanalen, ten opzichte van het gebied waar de geometrie van de holte een ingrijpende verandering ondergaat, van groot belang. Deze ontluchtingskanalen helpen lucht te verwijderen die tijdens het proces in de holte wordt opgesloten, waardoor het aantal luchtzakken met 40% wordt verminderd ten opzichte van mallen zonder adequate ontluchting. Ook het hydraulische dempingssysteem is effectief. Deze systemen zijn voorzien van ballonnen die zich achter het malsoppervlak bevinden en met vloeistof worden gevuld. Deze ballonnen regelen de druk automatisch. Deze zelfregulerende functie van de ballonnen compenseert gebieden waar het materiaal dikker of dunner is dan verwacht. Het resultaat is een constante druk doorheen het laagpakket, wat essentieel is voor de productie van hoogwaardige componenten in de lucht- en ruimtevaartindustrie, waarbij het porositeitsniveau lager moet zijn dan 0,5%.

Gekalibreerde, real-time bewaking voor geautomatiseerde drukaanpassing tijdens de laminering van koolstofvezelplaten

Gebruik van ingebedde sensoren in combinatie met IR-thermografie

Laminatiesystemen zonder autoclaaf (NALMS) maken gebruik van geavanceerde, real-time drukbalans-technologie om consistente, hoogwaardige laminatie van koolstofvezelplaten (CFS) te bereiken. Deze technologieën omvatten ingebedde piezoelektrische sensoren die drukveranderingen van slechts 0,2 psi kunnen detecteren en een hydraulisch of pneumatisch correctiemechanisme activeren bij een drukafwijking. Het systeem werkt in real time. Tegelijkertijd detecteren IR-camera’s/thermometers in het gebied van de laminatieplaten temperaturen binnen een bereik van ±1,5 °C. Waarom is dit allemaal noodzakelijk voor de laminatie van koolstofvezelplaten? Onderzoek heeft aangetoond dat temperaturen lager dan 1,5 °C de vloeibaarheid van de laminateresin verminderen, waardoor de viscositeit van de resin sterk stijgt (bijna met 2/3) en de resin onder bepaalde omstandigheden volledig onwerkbaar wordt ten opzichte van de temperatuur van de chemische mengeling. Dit leidt tot een tekort aan resin op het betreffende gebied van de laminatieplaten. Druk en porositeit staan binnen bepaalde drempelwaarden van de laminatieplaten omgekeerd evenredig tot elkaar. Onderzoek heeft vastgesteld dat wanneer de druk op de laminatieplaten onder een drempelwaarde van 15 psi wordt gehandhaafd (waardoor luchtzakken/leegtes ontstaan), de porositeit in deze gebieden met 34% toeneemt ten opzichte van normaal. Drukcalibratie-arrays (oppervlaktegericht) worden steeds geavanceerder naarmate de technologie zich verder ontwikkelt.

Ze gebruiken voorspellende machine learning-algoritmes om de geleidelijke drukverandering te begrijpen wanneer hars in de mal wordt geïnjecteerd. Dit biedt aanpassingsmechanismen om buiging en vervorming van de producten tijdens de productie te begrijpen. Een voorbeeld hiervan zijn vacuümgeassisteerde technieken. Bepaalde mechanismen passen de druk in de ballonnen elke halve seconde aan om het ontstaan van droge plekken te voorkomen. Indien dit wel zou gebeuren, zou de interlaminaire schuifsterkte met 22% dalen, waardoor de structuur wordt aangetast.

In de praktijk: welke methoden moeten op juiste wijze worden toegepast om een gelijkmatige druk op elke laag van het koolstofvezelblad te garanderen?

Het bereiken van een constante druk op elk blad is een zeer breed concept. Er kunnen meerdere methoden worden toegepast om de drukverdeling te realiseren; de eerste methode bestaat uit het wijzigen van de oriëntatie van de laag, waarbij enkelrichtingse bladen worden gebruikt in kruisoriëntaties van 0, 45 en 90 graden. Dit zorgt ervoor dat zowel de compressie- als de trekkrachten adequaat worden opgenomen door de aanwezige bladen in de gelaagde richtingen, waardoor de spanningen in evenwicht worden gebracht en instabiele zwakke punten in het doelgebied worden voorkomen. Bij toepassing is vastgesteld dat deze methode 18 keer sterker is dan staal. In gevallen waarin de vormen van onderdelen zeer complex zijn, vormt geweven koolstofvezel een betere optie: door de manier waarop deze is geweven, biedt hij vezels in meerdere richtingen. En tijdens het aanbrengen van de hars in dit proces…

Elke laag moet met een rolletje worden gezaagd om volledige saturatie en luchtverwijdering te garanderen.

Houd de viscositeit van de hars (300–500 cPs) aan voor een voorspelbare stroming en om droge plekken te voorkomen.

Er is een geleidelijke drukverhoging vereist tijdens het stapelen om te voorkomen dat het hars opnieuw wordt verdeeld of tekort komt.

Bij de productie van composietcomponenten is vacuümverpakking nog steeds een van de meest effectieve methoden om een uniforme druk over meerdere lagen te verkrijgen, aangezien deze methode empirisch de lagen samenperst en luchtbellen verwijdert wanneer de vacuümtas strak wordt getrokken. Wanneer een fabrikant een drukgevoelig filmsysteem gebruikt, kan hij visueel gebieden identificeren waar de druk effectief wordt toegepast; volgens onderzoeken elimineert dit tot wel 90% van de luchtbellen. Zodra de hars is uitgehard, is het mogelijk om de afgewerkte laminaten te inspecteren onder gekruiste polarisatoren. Hierdoor worden overtollige hars en gebieden met onvoldoende vezelverzadiging duidelijk zichtbaar, wat wijst op problemen met de druk tijdens de fabricage. Samen zorgen deze processen voor hoogwaardige componenten die consistent zijn in dikte, nauwkeurig in evenwicht qua vezel- en harsgehalte, en voorspelbare, betrouwbare prestaties vertonen onder de belastingen die optreden bij lucht- en ruimtevaart- en automobielproductie.

FAQ Sectie

Waarom is het gebruik van uniforme druk cruciaal bij het lamineren van koolstofvezelplaten?
Uniforme druk zorgt voor een consistente stroming van de hars en een goede consolidatie van de vezels, wat leidt tot sterke hechting en verhoogde sterkte van het onderdeel.

Welke problemen kunnen worden veroorzaakt door ongelijkmatige druk tijdens het laminatieproces?
Ongelijkmatige druk kan leiden tot het ontstaan van luchtleegtes en droge gebieden, ongelijke dikte en ook tot een verlaging van de treksterkte en structurele integriteit.

Wat kan worden gedaan om de druk in de mallen tijdens het lamineren te optimaliseren?
De keuze van een geschikt matriaal voor de mal, controle van thermische uitzetting en een juist gevormde, geleidelijk versmallende holtegeometrie in combinatie met correct geplaatste ontluchtingsopeningen helpen hierbij.

Welke methoden kunnen worden gebruikt om het laminatieproces in real time te bewaken?
Real-time druk- en temperatuurmonitoringmethoden maken gebruik van piezoelektrische sensoren en infraroodthermografie.

Welke methoden kunnen worden gebruikt om de gelijkmatigheid van de druk op de koolstofvezelplaten te maximaliseren?
Het gebruik van getande rollen, een juiste controle van de harsviscositeit, geleidelijke druk tijdens het stapelproces en vacuümverpakking helpen dit te bereiken.