EN
Причина «Вимагає надзвичайної точності різання» для UD-препрегу
Значення розмірної точності та якості кромок
На мікрорівні різання UD-препрегу вимагає складних знань у галузі структурної інженерії. Розрізи товщиною до 0,1 міліметра призводять до проблем. У композитних аерокосмічних застосуваннях несуча здатність зменшується на 30 %. Це пов’язано з точками концентрації напружень, які виникають через незначні невідповідності в орієнтації волокон. У випадку односпрямованого вуглецевого волокна ключовим є точне вирівнювання та фіксація волокон у прямому положенні. Край, що зливається, обтріпаний або розшарений, суперечить способу, яким волокна передають навантаження через структуру. Тому технологію леза було розроблено з метою покращення контролю над витягуванням смоли та волокон під час різання, а саме — кінчик леза спроектований так, щоб його відношення довжини до товщини перевищувало 90:1. Через значне тепло, що виникає внаслідок тертя (температура швидко піднімається понад 60 °C), очікується затвердіння епоксидної смоли. У багатьох областях інженерних композитів смола затвердіває раніше, ніж це потрібно. Такі передчасні цикли затвердіння створюють найслабші точки, які згодом руйнуються через втомлювальну деградацію матеріалу.
Як чутливість до смоли та вирівнювання волокон обмежують межі допусків
Термореактивна смола в матриці матеріалів UD-препрегу створює певні специфічні труднощі під час різання. Матриця смоли м’якшає під впливом підвищених температур, а останні дослідження у галузі композитів показують, що при швидкостях різання понад 2 метри за секунду міцність смоли зменшується на 15–20 % через силові зсуви, що виникають у процесі різання (Journal of Composite Materials, 2023). Міцність композиту в UD-препрегу забезпечується волокнистими матеріалами, які розташовані паралельно вздовж довжини композиту; однак це також робить матеріал чутливим до всіх сил різання, що змінюють кут різання щодо напрямку волокон. Зокрема, якщо кут різання відхиляється більше ніж на 3 градуси від напрямку волокон, це може призвести до повного розшарування шарів і зменшення адгезії між ними до 40 %. Таким чином, ці дві проблеми зумовлюють необхідність надто точного різання з допусками ± 0,05 мм, що, у свою чергу, вимагає застосування передових технологій різання, здатних контролювати вібрації під час різання на рівні менше 5 мікрометрів та оснащених системами моніторингу в реальному часі для запобігання термічному розкладу смоли.
Розробка технологій різання
Інструменти та технології різання: концепції та проблеми
У малих серіях виробництва складних конструкцій різання малих за розміром односпрямованих наперед пропитаних заготовок (препрегів) поки що не може здійснюватися автоматизованими процесами. Для цього оптимальними є суцільні обертальні леза. Верхня та нижня частини обертальних різаків виготовлені з твердосплавних наконечників. Такі наконечники довше зберігають гостру форму під час різання абразивних вуглецевих волокон, що зменшує ймовірність зміщення односпрямованих волокон під час різання. Стальні наконечники використовувати не можна, оскільки вони надмірно нагріваються та затуплюються через абразивне різання. Оскільки твердосплавні наконечники краще проводять тепло, зона наконечника різака, а отже й прилеглі ділянки смоли у суцільному препрегу, менше постраждають під час різання. Правильне різання досягається шляхом утримання наконечника різака під різними кутами до поверхні різака, зазвичай близько 45 градусів, і рівномірного прикладання зусилля по всій довжині розрізу. Проблеми з краями препрегів після різання виникають досить часто. Конструктивні дослідження свідчать, що більшість несправностей композитів із препрегів пов’язані з погано оформленими краями. Тому практика різання є критично важливою для будь-кого, хто працює з препрегами.
Використовуйте однопрохідні розрізи гострими лезами, щоб зменшити ймовірність виникнення розшарування
Використовуйте лінійки або шаблони під час вирізання більш складних форм
Негайно перевіряйте краї на наявність відтягування смоли
Неправильні ручні методи залишаються головною причиною втрат матеріалу — приблизно $740 тис. на рік для середнього за розміром підприємства (Інститут Понемона, 2023). Точність залежить від правильного поєднання гострих лез (щоб зменшити бічні сили різання) та свідомих, контрольованих рухів, що забезпечують дотримання допуску ±0,5 мм, необхідного для авіаційних робіт.
Назва: Автоматизовані системи для високоточного різання односпрямованих пре-прегових матеріалів
Назва: CNC-системи з різальним ножем типу drag knife: найкраще різання односпрямованих пре-прегових матеріалів із адаптивним контролем тиску та геометричною корекцією
Системи CNC з тяговим ножем чудово підходять для різання односпрямованих композитних пре-прег, оскільки вони здатні динамічно змінювати тиск леза під час різання. Таке регулювання тиску допомагає зменшити небажану деформацію країв волокон. Уникнення подібної деформації критично важливе: навіть незначна деформація волокон на 0,5 мм знижує міцність композиту приблизно на 18 %, що підтверджено дослідженнями, опублікованими минулого року. Крім регулювання тиску леза, режучі леза проектуються під кутом 15–30 градусів, щоб зменшити розшарування по краях. Крім того, конструктори часто оснащують тягові ножі спеціальними наконечниками, щоб зменшити витягування смоли під час різання. Деякі з найбільш передових систем мають активне зворотне зв’язкове керування за допомогою моніторингу натягу контурів у зоні різання. Наявність правильного контролю за вирівнюванням волокон є критично важливою умовою для виготовлення композитних компонентів, що відповідають найсуворішим промисловим стандартам.
Струминне різання порівняно з лазерним: порівняння теплового навантаження, якості різу та розшарування між шарами у односпрямованих напівфабрикатів із попередньо пропитаними волокнами
Технологія струминного різання використовує воду під високим тиском, змішану з абразивами, для різання матеріалів. Оскільки при струминному різанні не виділяється тепло, цей метод підходить для різання термореактивних односпрямованих напівфабрикатів із попередньо пропитаними волокнами. Згідно з дослідженням, опублікованим у журналі «Journal of Manufacturing Processes» у 2020 році, струминне різання залишає мінімальні зони термічного впливу й забезпечує отримання різів завширшки близько 0,8 мм. На відміну від струминного різання, лазерні різаки створюють зони термічного впливу з температурою до 300 °C, що призводить до плавлення або випаровування матеріалів і розшарування нижчих шарів. Хоча лазерні різаки відрізняються високою швидкістю й є чудовим інструментом для прототипування, виробникам необхідно точно налаштовувати параметри для конкретних довжин хвиль, щоб мінімізувати небажане карбонізаційне забруднення. Ширина різу при струминному різанні становить близько 0,1 мм, а контроль вологи є критичним для запобігання забрудненню напівфабрикату.
Чому точність різання є важливою для матеріалів із односпрямованих напівфабрикатів із попередньо пропитаними волокнами?
З огляду на застосування композитів у аерокосмічній галузі, навіть незначне неспівпадання може призвести до втрати матеріалами здатності сприймати навантаження. Тому точність різання є критично важливою для забезпечення правильного співвісного розташування шарів, що забезпечує міцність і експлуатаційні характеристики матеріалів та запобігає концентрації напружень.
Які переваги мають роторні різаки й карбідні леза при ручному різанні односпрямованих (UD) препрегів?
Роторний різак із карбідним лезом має тривалий термін служби, менше порушує орієнтацію волокон і ефективно відводить тепло, запобігаючи розкладанню смоли.
Які переваги мають системи різання односпрямованих (UD) препрегів за допомогою CNC-різаків із тяговим ножем?
У системах різання CNC із тяговим ножем реалізована адаптивна регуляція тиску, що запобігає спотворенню волокон і розшаруванню; крім того, завдяки контролю натягу в реальному часі забезпечується висока точність різання.
Чому виробники надають перевагу різанню струменем води замість лазерних систем при обробці односпрямованих (UD) препрегів?
Гідрорізання не призводить до термічного пошкодження матеріалів, тоді як лазерне різання може вносити тепло й викликати розшарування матеріалів. Крім того, методи гідрорізання не мають проблем, пов’язаних із нагріванням.