EN
Вдосконалення підготовки рулонів вуглецевого волокна та процедур їх укладання
Точне укладання: розмотування, різання та вирівнювання рулону вуглецевого волокна
Правильне налаштування процесу розмотування є критично важливим для успішної роботи всієї системи. Системи керування натягом допомагають запобігти деформації та пошкодженню волокон під час їх подачі через машину. Щодо різання, ультразвукове різання, на відміну від різання ножицями, забезпечує отримання чистих, неосипаючих кромок без термічного пошкодження. Лазерні напрямні забезпечують вирівнювання окремих волокон із точністю не гірше 0,5 градуса. Чому це важливо? У найновішому випуску журналу «Composites Journal» дослідники зазначили, що, за їхніми оцінками, навіть одноградусне відхилення призводить до зниження межі міцності на розтяг на 7 %. У разі формування складних геометричних композитних структур, наприклад тривимірних контурів, спеціалізовані роботи наносять клей таким чином, щоб зберегти правильне взаємне розташування шарів під час перенесення заготовки на наступну робочу поверхню. Існує також низка інших параметрів, які потрібно контролювати: наприклад, електростатичний контроль систем для запобігання підйому волокон у повітря та контроль відносної вологості на рівні нижче 40 %, щоб уникнути передчасного вбирання вологи смолами.
Працівники перевіряють підсвічену плетену структуру, щоб переконатися в її однорідності, перш ніж заливати будь-які матеріали в форми.
Оцінка методів «мокрого» накладання, препрегу та RTM: вибір технології з урахуванням форми рулону вуглецевого волокна та рівня виробництва
Найкращий метод ущільнення залежить від критеріїв експлуатаційних характеристик, обсягу та вартості.
Вимагає термообробки в автоклаві
При мокрому накладанні (Wet Lay Up) використовується смола, яку наносять вручну на сухі рулони вуглецевого волокна; цей метод є найбільш придатним для форм складної конфігурації. Обсяги виробництва, однак, зазвичай низькі. Середня вартість оснастки для таких процесів, як правило, на 80 % нижча, ніж у методі RTM. Препреги мають перевагу перед іншим методом завдяки більшій однорідності кінцевих виробів та загалом вищим механічним властивостям деталей. Ця однорідність досягається завдяки тому, що смола вже пропитує волокно під час виготовлення препрегів. Однак процес виготовлення препрегів вимагає спеціального холодильного зберігання, а також особливого й дещо складного оброблення протягом усього циклу виготовлення. Тим не менш, при RTM виробники також стикаються зі складністю методу: полімери примусово протягуються під тиском крізь сухі волокна (волокна, пропитані смолою) у замкненій формі, що призводить до надмірного утворення повітряних пор у матеріалі, а також до надзвичайно низької відтворюваності характеристик волокон, пропитаних смолою, у різних партіях. Це означає, що одним із найбільш обмежувальних факторів — після виготовлення самих форм — є інвестиція понад півмільйона доларів США на закупівлю комплектів форм. Саме високий рівень початкових інвестицій також забезпечує те, що більшість невеликих виробничих потужностей уникатимуть використання RTM й замість цього застосовуватимуть технології з меншою складністю.
Підбір систем смол і оптимізація процесу затвердіння для інтеграції рулонів вуглецевого волокна
Чому епоксидні смоли є «золотим стандартом» для переробки структурних рулонів вуглецевого волокна
Неперевершена адгезія, термостійкість та контроль процесу роблять епоксидні смоли «золотим стандартом» для структурних застосувань із рулонами вуглецевого волокна.
Міжшарова зсувна міцність:
- критична для несучих шаруватих матеріалів, перевищує 65 МПа.
- робоча температура забезпечує застосування в авіації та високопродуктивному автомобілебудуванні до 180 °C (356 °F).
- ступінчасті цикли затвердіння сприяють зменшенню залишкових напружень та мікротріщин.
Гравіметричним аналізом доведено, що підтримання співвідношення смола–волокно в межах 35–40 % за масою дозволяє утримувати вміст пор нижче 2 % та відповідати вимогам стандарту ASTM D3039 щодо випробувань на розтяг. Міркування щодо вартості, часу затвердіння та сумісності рулонів вуглецевого волокна з альтернативами на основі поліестерних та вінілових естерів
Хоча епоксидні смоли забезпечують найвищий стандарт, конкуренти пропонують найбільші маржинальні прибутки або за вартістю, або за швидкістю виробництва:
Тип смоли | Вартість порівняно з епоксидом | Макс. робоча температура | Сумісність із рулонами вуглецевого волокна
Поліестер | на 60–70 % нижча | 80 °C (176 °F) | Середня — схильна до осмотичного пухирювання
Вінілестер | на 40–50 % нижча | 100 °C (212 °F) | Висока — чудова хімічна стійкість
Полімеризація вінілестеру при кімнатній температурі триває 2–4 години, що значно швидше, ніж полімеризація епоксиду (12–15 годин), і дозволяє швидко виготовлювати прототипи та неструктурні панелі. Зниження міцності на стиск на 15–20 % у багатьох випадках цілком виправдане. Наприклад, для морських палуб або панелей кузовів автомобілів уникнення втрати міцності на стиск часто дозволяє зекономити понад 25 дол. США/м² без втрати необхідних експлуатаційних характеристик.
Конструювання форм і інструментів для надійного виробництва рулонів вуглецевого волокна
Вимоги до матеріалу, поверхневого відділення та термічної стабільності для прокатки вуглецевих волокон
Ефективність форми залежить від взаємодії трьох факторів — міцності матеріалу, довговічності поверхні та стабільності температури; саме ці три фактори разом визначають ефективність прототипної форми. У цьому контексті прототип можна виготовити з інструментальної сталі завдяки співвідношенню її вартості та ефективності. Для тривалих серій виробництва доцільно наносити карбідне покриття для підсилення конструкції форми й подовження її ресурсу. Завдяки структурній стабільності при високих температурах та великих механічних навантаженнях спеціальні нікелеві сплави, такі як Invar, є основним вибором для виготовлення форм для аерокосмічних компонентів через їх низький коефіцієнт теплового розширення. Ця властивість сплавів Invar мінімізує теплове розширення форми при заданих температурах, що запобігає деформації (коробленню) форми внаслідок термічних та хімічних реакцій смол із епоксидом.
Поверхнева шорсткість має бути максимально дзеркальною, ідеально — нижче 0,4 мікрона Ra. Це забезпечує, що волокна не зачеплятимуться під час обробки, а деталі легко вийматимуться з форми без поверхневих дефектів чи мікротріщин. Правильне та стратегічно розташоване вентилювання по краях є критично важливим для запобігання утворенню повітряних порожнин, особливо під час екзотермічного затвердіння смоли. Це також важливо для запобігання утворенню волокнистих порожнин ізі смоли в карбонових валках. Нарешті, інженерне проектування форм з забезпеченням їх розмірної стабільності в межах від −0,1 до +0,1 мм при температурі 180 °C є критичним. Таке точне інженерне проектування є обов’язковим для всіх серйозних виробників композитів.
Основи контролю процесу: контроль якості під час виробництва карбонових валків
Методи вакуумного упакування, застосування тискової подушки та дегазації для виготовлення ламінатів карбонових валків без порожнин
Першим кроком є створення вакууму. Кожний шар композиту розміщується під гнучким покривалом у вакуумному мішку, після чого створюється негативний тиск 25–29 дюймів ртутного стовпчика для видалення повітря з шарів. Початок етапу позитивного тиску в діапазоні 14–100 psi (фунтів на квадратний дюйм) є, скоріше, етапом ущільнення, який змінює співвідношення волокно/смола в композиті, оскільки об’єм смоли ( {m}_{resin} ) зменшується. Усунення дефектів, зокрема пор, є комплексною функцією кількох факторів. Спочатку захоплене повітря у вологих шарах смоли руйнується/розривається за допомогою валика для видалення надлишків. Далі спеціальні шари тканини, так звані «дихальні» шари, відводять зайву (зазвичай епоксидну) смолу від шарів до спеціально призначених вентиляційних отворів для збору смоли. І, нарешті, щоб забезпечити мінімальну кількість смоли, яка могла б забруднити шари або утворити пори, система конфігурується з використанням шарів-поглиначів, що вбирають смолу до завершення етапу формування смоли.
Критично важливо підтримувати вміст порожнин нижче 2 %. Підвищений вміст порожнин зменшує міжшарову зсувну міцність більше ніж на 35 %. Використання систем контролю тиску та автоматичного виявлення витоків покращує надійність і рівномірність ущільнення ламінату з вуглецевого волокна, що особливо важливо в товстих або неправильних за формою ділянках.
Розділ запитань та відповідей
Які переваги використання рулонів із вуглецевого волокна?
Завдяки неперевершеній міцності та стабільності виготовлення у рулонах дозволяє створювати складні форми й забезпечує точне вирівнювання.
Яка перевага мокрого накладання?
Мокре накладання є кращим варіантом для прототипів та складних форм, але менш придатне для масового виробництва порівняно з процесами RTM та використанням напівфабрикатів (prepreg).
Чому в композитах використовують епоксидну смолу?
Епоксидна смола є найкращим вибором завдяки її адгезії, стабільності та міжшаровій зсувній міцності щодо ваги конструкції, а отже, є обов’язковою для вуглецевого волокна.
Яка функція вакуумного упакування при виготовленні ламінатів із вуглецевого волокна?
Вакуумне запакування забезпечує герметичність та створює розрідження для видалення повітряних бульбашок, що дозволяє формувати композитні матеріали рівномірно й без порожнин.