EN
Zlepšovanie prípravy rolí z uhlíkových vlákien a postupov ich uloženia vrstiev
Presné uloženie vrstiev: odvíjanie, režanie a zarovnávanie rolí z uhlíkových vlákien
Správne nastavenie procesu odvinovania je kritické pre úspech celého systému. Systémy s riadením napätia pomáhajú zabrániť deformácii a poškodeniu vlákien počas ich privádzania do stroja. Pri rezaní umožňuje ultrazvukové rezanie – na rozdiel od reznia nožnicami – výrobu čistých, nezvlnených a bez tepelného poškodenia hraníc. Laserové vodiace zariadenia zabezpečujú zarovnanie jednotlivých vlákien s odchýlkou maximálne 0,5 stupňa. Prečo je to dôležité? V najnovšom vydaní časopisu Composites Journal poznamenali výskumníci na základe svojej analýzy, že jednostupňová nesúhlasnosť v zarovnaní spôsobí zníženie pevnosti v ťahu o 7 %. Ak má uloženie zložitú geometriu, napríklad trojrozmerný kontúr, špeciálne roboty aplikujú lepidlo takým spôsobom, aby sa počas prenosu na ďalší pracovný povrch udržalo správne zarovnanie vrstiev. Existuje niekoľko ďalších faktorov, ktoré je potrebné riadiť, napríklad statická kontrola systémov, aby sa zabránilo tomu, aby sa vlákna dostali do vzduchu, a kontrola relatívnej vlhkosti na úrovni nižšej ako 40 %, aby sa predišlo predčasnému absorbovaniu vlhkosti pryskyricami.
Robotníci skúmajú osvetlený tkaninový vzor zozadu, aby skontrolovali jeho jednotnosť pred vlievaním akýchkoľvek materiálov do foriem.
Odhad metódy WET Lay-Up vs. Prepreg vs. RTM: prispôsobenie techniky valcovej forme uhlíkového vlákna a úrovni výroby
Najlepšia metóda konsolidácie sa líši podľa kritérií výkonu, objemu a nákladov.
Vyžaduje tuhnutie v autokláve
Pri mokrom namotávaní sa používa pryskoviec, ktorý sa manuálne aplikuje na suché rolky uhlíkových vlákien, čo ho robí najvhodnejším pre tvary vyžadujúce zložitú konštrukciu. Objem však zvyčajne býva nízky. Priemerné náklady na nástroje pre takéto procesy sú zvyčajne o 80 % nižšie ako náklady na metódu RTM. Prepregy sú z tých dvoch metód výhodnejšie, pretože konečné diely vykazujú vyššiu konzistenciu a celkovo lepšie mechanické vlastnosti. Táto konzistencia je spôsobená tým, že pryskoviec je už počas výroby prepregov nasákaný do vlákien. Výroba prepregov však vyžaduje špeciálne chladenie pri skladovaní a počas celého výrobného procesu tiež špeciálne a pomerne zložité manipulačné postupy. Napriek tomu aj pri RTM čelia výrobcovia zložitosti tejto metódy, keďže polyméry sú pod tlakom nútené prenikať suchými vláknami (vláknami nasákanými pryskovicou) v uzavretom geometrickom priestore foriem, čo vedie k nadmernej obsahovej pórovitosti vzduchu a extrémne nízkej konzistencii vlákien nasákaných pryskovicou medzi jednotlivými šaržami. To znamená, že jedným z najväčších obmedzujúcich faktorov je okrem samotných foriem investícia vo výške viac ako pol milióna dolárov na získanie súpravy foriem. Práve táto vysoká investičná hranica zaisťuje, že väčšina menších prevádzok RTM nepoužíva a namiesto toho uprednostňuje techniky spracovania s nižšou zložitosťou.
Výber systémov pryskyríc a optimalizácia vytvrdenia pre integráciu rolí z uhlíkových vlákien
Prečo sú epoxidové pryskyrice zlatým štandardom pri spracovaní štrukturálnych rolí z uhlíkových vlákien
Neprekonateľná adhézia, tepelná stabilita a kontrola procesu robia epoxidové pryskyrice zlatým štandardom pre štrukturálne aplikácie s rolami z uhlíkových vlákien.
Medzivrstvová strihová pevnosť:
- kritická pre nosné vrstvy, presahuje 65 MPa.
- prevádzková teplota umožňuje použitie v leteckej a vysokovýkonnej automobilovej technike až do 180 °C (356 °F).
- postupné cykly vytvrdenia pomáhajú znížiť reziduálny napätie a mikropraskliny.
Gravimetrickou analýzou bolo preukázané, že udržiavaním pomeru pryskyrica-vlákno v rozmedzí 35–40 hmotnostných % sa obsah dutín udrží pod 2 % a splnia sa požiadavky normy ASTM D3039 pre ťahové skúšky. Zohľadnenie nákladov, doby vytvrdenia a kompatibility pre rolí z uhlíkových vlákien pri alternatívnom použití polyesterových a vinyl-esterových pryskyríc
Zatiaľ čo epoxidové pryskyřice ponúkajú najvyšší štandard, konkurencia ponúka najvyššie marže buď z hľadiska nákladov, alebo rýchlosti výroby:
Typ pryskyřice | Náklady v porovnaní s epoxidom | Maximálna prevádzková teplota | Kompatibilita s rolkami z uhlíkových vlákien
Polyester | o 60–70 % nižšie | 80 °C (176 °F) | Stredná – má tendenciu k osmotickému puchýraniu
Vinylester | o 40–50 % nižšie | 100 °C (212 °F) | Vysoká – vynikajúca odolnosť voči chemikáliám
Vytvrdenie vinylesteru pri izbovej teplote trvá 2–4 hodiny, čo je výrazne rýchlejšie ako vytvrdenie epoxidu, ktoré trvá 12–15 hodín; to umožňuje rýchlu výrobu prototypov a výrobu nenosných panelov. Straty pevnosti v tlaku v rozsahu 15–20 % sú často viac než kompenzované výhodami. V mnohých prípadoch – napríklad pri námořných podlahách alebo paneloch karosérií automobilov – vyhnutie sa strate pevnosti v tlaku umožňuje úsporu materiálu presahujúcu 25 USD/m² pri zachovaní požadovanej funkčnosti.
Návrh formy a nástrojov pre spoľahlivú výrobu roliek z uhlíkových vlákien
Požiadavky na materiál, povrchovú úpravu a tepelnú stabilitu pre valcové tváranie uhlíkových vlákien
Výkon formy závisí od spolupráce troch faktorov – pevnosti materiálu, trvanlivosti povrchu a teplotnej stability – a tieto tri faktory spoločne určujú výkon prototypovej formy. V tomto prípade je možné prototyp skonštruovať z nástrojovej ocele, keďže ponúka výhodný pomer nákladov k výkonu. Pre dlhodobé výrobné série je možné na posilnenie konštrukcie formy použiť karbidové povlaky, čím sa predĺži jej výrobný cyklus. Konštrukčne stabilný materiál odolný voči vysokým teplotám a mechanickým namáhaniam, ako sú napríklad niklové zliatiny (napr. Invar), sa bežne používajú pri výrobe foriem pre letecké komponenty, a to najmä kvôli ich nízkemu koeficientu tepelnej rozťažnosti. Táto vlastnosť zliatin Invar minimalizuje nežiaducu tepelnú rozťažnosť formy pri nastavených teplotách a tým bráni deformácii (skrúteniu) formy spôsobenej tepelnými a chemickými reakciami pryskyrík s epoxidom.
Úprava povrchu by mala byť čo najzrkadlovejšia, ideálne pod 0,4 mikróna Ra. To zabezpečuje, že vlákna sa počas spracovania nezachytia a súčasti sa ľahko uvoľnia z formy bez povrchových chýb alebo mikrotrhliniek. Správne a strategicky umiestnené vetila na okraji sú kritické na zabránenie vzniku vzduchových dutín, najmä počas exotermickej polymerizácie pryskyrky. Je to tiež dôležité na zabránenie vzniku vláknitých pryskyrkových dutín v uhlíkových valcoch. Nakoniec je kritické navrhnúť formy tak, aby boli rozmernovo stabilné v rozsahu od –0,1 do +0,1 mm pri teplote 180 °C. Toto presné inžinierske riešenie je nevyhnutné pre všetkých vážnych výrobcov kompozitov.
Základy riadenia procesu: Kontrola kvality pri výrobe uhlíkových valcov
Techniky vakuumového obalenia, aplikácie tlakového polštárika a odvzdušňovania pri výrobe laminátov uhlíkových valcov bez dutín
Prvým krokom je vytvorenie vákua. Každá vrstva kompozitu sa umiestni pod flexibilný kryt do vakového obalu a vytvorí sa záporný tlak 25–29 palcov ortuťového stĺpca, aby sa zo vrstiev odstránil vzduch. Spustenie kroku s kladným tlakom v rozsahu 14–100 psi (libier na štvorcový palec) predstavuje skôr kompakčný krok, ktorý mení pomer vlákna ku živici v kompozite, pričom sa znižuje objem živice ( {m}_{resin} ). Odstraňovanie porúch, najmä dutín, je spoločnou funkciou niekoľkých faktorov. Zachytenie vzduchu vo vlhkých vrstvách živice sa najskôr naruší / rozruší pomocou valčeka na odstránenie nadbytočného materiálu. Následne špeciálne vrstvy tkaniny, tzv. dychové vrstvy, odvádzajú nežiaducu (zvyčajne epoxidovú) živicu z vrstiev k určeným výfukovým otvorom na zbieranie živice. A nakoniec, aby sa čo najviac znížil objem živice, ktorá by mohla kontaminovať vrstvy alebo vytvárať dutiny, je systém navrhnutý tak, že obsahuje vrstvy na odber živice (tzv. bleeder vrstvy), ktoré absorbuje živicu ešte pred dokončovacím stupňom živice.
Je kritické udržiavať obsah prázdnot pod 2 %. Vyšší obsah prázdnot zníži medzivrstvovú strihovú pevnosť o viac ako 35 %. Použitie monitorovania tlaku a automatických systémov na detekciu únikov zvyšuje spoľahlivosť a rovnosť konsolidácie laminátu z uhlíkových vlákien, čo je obzvlášť dôležité v hrubších alebo nepravidelných oblastiach.
Číslo FAQ
Aké sú výhody používania rolí z uhlíkových vlákien?
Vďaka neprekonateľnej pevnosti a stálosti umožňuje výroba z rolí vytváranie zložitých tvarov a presné zarovnanie.
Aká je výhoda mokrého uloženia?
Mokré uloženie je výhodnejšie pre prototypy a zložité tvary, avšak nie je tak vhodné pre sériovú výrobu ako procesy RTM a prepreg.
Aký je dôvod použitia epoxidových pryskoviek v kompozitoch?
Epoxidové pryskovieky sú najvhodnejšou voľbou vzhľadom na ich lepiace vlastnosti, stabilitu a medzivrstvovú strihovú pevnosť v pomere k hmotnosti konštrukcie a preto sú nevyhnutné pre uhlíkové vlákna.
Aká je funkcia vakuumového balenia pri výrobe laminátov z uhlíkových vlákien?
Vacuumové balenie poskytuje tesnenie a podtlak na odstránenie vzduchových bublín a umožňuje rovnomerné tvorenie laminátov bez dutín.