EN
Dôvod „Vyžaduje výnimočnú reznú presnosť“ pri UD predimpregoch
Význam rozmerného presnosti a kvality rezných hrán
Na mikroúrovni vyžaduje rezy unidirekčného predimpregnutého materiálu sofistikované technické a konštrukčné znalosti. Rezy s presnosťou až 0,1 mm spôsobujú problémy. V leteckých kompozitných aplikáciách sa nosná schopnosť zníži o 30 %. Dôvodom sú napäťové body, ktoré vznikajú v dôsledku minimálnych nesúladov pri zarovnaní. Pri unidirekčnom uhlíkovom vlákne ide o to, aby boli vlákna správne zoradené, zachytené a rovné. Hrana, ktorá je zle zvarová, rozvláknená alebo delaminovaná, nezodpovedá spôsobu, akým vlákna prenášajú zaťaženie cez štruktúru. Preto bola technológia rezacích čepeľov navrhnutá tak, aby sa zlepšila kontrola priťahovania pryskyriny a vlákien počas rezu, až do takej miery, že špička čepele je navrhnutá s pomerom väčším ako 90:1. V dôsledku veľkého množstva tepla vznikajúceho trením, ktoré rýchlo presahuje aj 60 °C, dochádza k predčasnému zatvrdzovaniu epoxidovej pryskyriny. V mnohých oblastiach technicky navrhovaných kompozitov sa pryskyrina zatvrdzuje skôr, než by mala. Tieto predčasné zatvrdzovacie cykly vytvárajú najslabšie miesta, ktoré sa neskôr prasknú v dôsledku únavy materiálu.
Ako citlivosť na pryskyrnicu a zameranie vlákien obmedzujú limity tolerancie
Termosetová prysková matrica v materiáloch UD predimpregnovaných pásov spôsobuje niekoľko veľmi špecifických výziev pri rezaní. Prísna matrica sa zmäkčuje v dôsledku zvýšenej teploty a nedávne štúdie o kompozitoch ukázali, že ak rýchlosť rezného nástroja presiahne 2 metre za sekundu, odolnosť pryskovej matrice klesá o 15 až 20 % v dôsledku strihových síl vznikajúcich počas rezného procesu (Journal of Composite Materials, 2023). Pevnosť kompozitu v UD predimpregnovaných pásoch je daná vláknovými materiálmi, ktoré prebiehajú rovnobežne pozdĺž dĺžky kompozitu; to však zároveň spôsobuje citlivosť na všetky rezné sily, ktoré menia uhol rezu vzhľadom na orientáciu vlákien. Konkrétne ak sa uhol rezu odchýli viac ako o 3 stupne od smeru orientácie vlákien, môže dôjsť k úplnému odlepeniu vrstiev (delaminácii), čo zníži adhéziu medzi vrstvami až o 40 %. Tieto dve výzvy teda vyžadujú veľmi presné rezy s toleranciami ± 0,05 mm a podnecujú potrebu pokročilých rezných techník, ktoré dokážu kontrolovať rezanie vibrácií na úrovni nižšej ako 5 mikrometrov a ktoré sú vybavené systémami reálneho monitorovania, aby sa zabránilo tepelnej degradácii pryskovej matrice.
Vývoj technológií na rezanie
Rezné nástroje a technológia: koncepty a problémy
Pri malosériovej výrobe komplexných návrhov sa zatiaľ nedá rezanie malých množstiev jednosmerných predimpregov vykonávať automatickými procesmi. Na tento účel sú optimálne pevné rotujúce nože. Horná a dolná časť rotujúcich strihacích nástrojov je vyrobená z pevných karbidových hrotov. Tieto hrany si dlhšie udržujú ostrú definíciu pri rezaní abrazívnych uhlíkových vlákien, čo znamená nižšiu pravdepodobnosť posunutia jednosmerných vlákien počas rezného procesu. Oceľové hrany sa nedajú použiť, pretože sa v dôsledku abrazívneho rezného procesu nadmierne zohrievajú a tupia. Keďže karbidové hrany lepšie vedú teplo, oblasť hrotu strihacieho nástroja a ako dôsledok aj okolité oblasti pevného predimpregového živice sú počas rezu menej ovplyvnené. Správne rezy sa dosahujú udržiavaním hrotu strihacieho nástroja pod rôznymi uhlami voči povrchu nástroja, zvyčajne približne 45 stupňov, a rovnomerným pôsobením sily po celej dĺžke rezu. Problémy s hranami rezných predimpregov sa vyskytujú často. Štrukturálne štúdie naznačujú, že väčšina porúch kompozitov z predimpregov je spôsobená nejasne definovanými hranami. To robí precízny rezný postup kritickým pre každého, kto pracuje s predimpregmi.
Používajte jednoprechodové rezy ostrými nožmi, aby ste znížili riziko odštiepovania.
Pri výrobe zložitejších tvarov používajte pravítka alebo šablóny.
Okraje okamžite skontrolujte, či nedošlo k odťahovaniu pryskyrky.
Nesprávne manuálne techniky stále predstavujú hlavnú príčinu odpadu materiálu, pričom odhadované ročné náklady pre priemerné zariadenie sú 740 000 USD (Ponemon Institute, 2023). Presnosť závisí od správnej rovnováhy medzi ostrými nožmi (na zníženie bočných síl pri rezaní) a úmyselnými, kontrolovanými pohybmi, ktoré zabezpečujú, že rez zostane v požadovanej tolerancii ±0,5 mm pre letecké aplikácie.
Názov: Automatické systémy na režanie UD predimpregnovaných materiálov s vysokou presnosťou
Názov: CNC systémy s ťažným nožom: najlepšie režanie UD predimpregnovaných materiálov s adaptívnou reguláciou tlaku a geometrickou úpravou
CNC systémy s ťahovým nožom sú vynikajúce na režanie jednosmerných kompozitných prepregov, pretože dokážu dynamicky upravovať tlak noža počas rezu. Táto úprava tlaku pomáha znížiť nežiaduce deformácie okrajov vlákien. Takéto deformácie okrajov sú kritické, aby sa ich zabránilo. Deformácia vlákien už o len 0,5 mm zníži pevnosť kompozitu približne o 18 %, ako je zdokumentované v výskume z minulého roka. Okrem úpravy tlaku noža sú rezné nože navrhnuté tak, aby zvierali uhol 15 až 30 stupňov, čo pomáha znížiť odštiepovanie okrajov. Navyše konštruktéri často na ťahové nože pridávajú špeciálne hrotové časti, ktoré znížia výskyt vytiahnutia pryskyrky počas rezu. Niektoré z pokročilejších systémov zahŕňajú aktívnu spätnoväzobnú reguláciu prostredníctvom monitorovania napätia kontúry počas rezu. Správna regulácia zarovnania vlákien je kritická pre dosiahnutie kompozitných komponentov, ktoré vyhovujú najnáročnejším priemyselným štandardom.
Vodný prúd vs. laser: Porovnanie tepelnej záťaže, kvality rezu a medzivrstvovej delaminácie jednosmerných predimpregnovaných materiálov (UD prepregs)
Technológia vodného prúdu používa vodu pod vysokým tlakom zmiešanú s abrazívnymi časticami na rezanie materiálov. Keďže rezanie vodným prúdom nepredstavuje tepelné zaťaženie, je vhodné na rezanie termosetových jednosmerných predimpregnovaných materiálov (UD prepregs). Štúdia z roku 2020 publikovaná v časopise Journal of Manufacturing Processes ukázala, že rezanie vodným prúdom vytvára minimálne tepelne ovplyvnené zóny a umožňuje dosiahnuť šírku rezu približne 0,8 mm. Na rozdiel od vodných prúdov laserové rezačky vytvárajú tepelne ovplyvnené zóny s teplotou až 300 °C, čo spôsobuje topenie alebo odparovanie materiálu a medzivrstvovú delamináciu nižších vrstiev materiálu. Hoci sú laserové rezačky rýchle a vynikajúce pre výrobu prototypov, výrobcovia musia jemne nastaviť parametre pre konkrétne vlnové dĺžky, aby sa minimalizovalo nežiaduce uhlíkovanie. Vodné prúdy majú šírku rezu približne 0,1 mm a kontrola obsahu vlhkosti je kritická, aby sa zabránilo kontaminácii predimpregnovaného materiálu.
Prečo je pre jednosmerné predimpregnované materiály (UD prepregs) dôležitá presnosť rezu?
Pri aplikáciách kompozitov v leteckej a vesmírnej technike môže už malé nesúhlasenie viesť k zlyhaniu nosnej schopnosti materiálov. Preto je presnosť rezu kľúčová na zabezpečenie správneho zarovnania, čím sa dosiahne potrebná pevnosť a výkon materiálov a predíde sa sústredeniu napätia.
Aké výhody ponúkajú rotujúce rezače a karbidové nože pri manuálnom reze jednosmerne orientovaných (UD) prepregov?
Rotujúca rezačka s karbidovým nožom má dlhšiu životnosť, spôsobuje menšie nesúhlasenie vlákien a účinne odvádza teplo, čím bráni rozkladu pryskyrky.
Aké výhody ponúkajú CNC systémy s ťažnými nožmi pri reze jednosmerne orientovaných (UD) prepregov?
CNC systémy s ťažnými nožmi umožňujú adaptívnu reguláciu tlaku, čím sa zabráni deformácii vlákien a delaminácii; navyše režú s vysokou presnosťou vďaka sledovaniu napätia v reálnom čase.
Prečo by výrobcovia uprednostnili rezanie vodným prúdom pred rezaním laserovými systémami pri jednosmerne orientovaných (UD) prepregoch?
Rezanie vodným prúdom nespôsobuje tepelné poškodenie materiálov, zatiaľ čo rezanie laserom môže pridať teplo a oddeliť materiály. Okrem toho metódy rezania vodným prúdom nemajú problémy s teplom.