Компоненти на основі стрічки UD за короткий час циклу
Технологія обробки для консолідації
високоефективне термопластичне волокно-
з'єднані (UD стрічки) на основі
у Фраунгофера ІКТ розвинув страх-
Індукована легенями вакуумна консолідація (Джерело зображення: Fraunhofer ICT)
На основі радіаційно-індукованої вакуумної консолідації компанія Fraunhofer ICT розробила промислову систему Fibercon спільно з виробником системи Dieffenbacher, яка доповнює технологію укладання термопластичної стрічки Fiberforge консолідацією напівфабрикатів. До цього часу цей етап виробництва традиційно виконувався в енергоємних і економічних, безперервних або безперервних процесах пресування, наприклад, з подвійним стрічковим пресом або з інтервалом гарячого пресування. Вчені компанії Fraunhofer ICT ще у 2012 році визначили, що цей процес є вузьким місцем у технологічному ланцюжку для термопластичних стрічок. При абсолютно новому підході до розробки було створено рішення з індукованою радіацією вакуумною консолідацією.
Технологічний ланцюг для укладання термопластичної стрічки
Термічна деградація, позначена знаком
Втрата ваги одна
Поліамідна 6 стрічкова тканина при нагріванні до різних температурних процесів в інертній атмосфері та на повітрі. (Джерело зображення: Fraunhofer ICT)
Одним з основних напрямків досліджень інституту є розробка процесів для економічного легкого будівництва. На додаток до оптимізації встановлених процесів, ставляться під сумнів цілі ланцюжки процесів, які, переходячи до поточного стану досліджень, переосмислюються. Ланцюг технологічного укладання термопластичної стрічки розділений на основі стрічок UD на три окремі етапи процесу: укладання стрічки, ущільнення та остаточний компонентний процес, такий як переформатування та функціоналізація консолідованої конструкції при гібридному формуванні. Повна технологічна ланцюг, яка підходить як для стандартних, так і для високотемпературних термопластів, доступна в Інституті Фраунгофера в Пфінцталі.
Час та якість циклу є визначальними
Таблиця 1: Переваги при обробці UD-стрічок порівняно з органічними листами (Джерело зображення: ІКТ Fraunhofer)
Для першого кроку, прокладання стрічки, на ринку існують в основному різні технологічні процеси. Однак у контексті великого виробництва час циклу є вирішальним на додаток до точності укладання. Завдяки технології укладання термопластичної стрічки Fiberforge, Frauhofer ICT має найшвидшу в світі систему укладання стрічки. Спеціально виготовлені гелеві ламінати (спеціальні заготовки), які можна виготовити за цією технологією, мають різні переваги порівняно з тканими напівфабрикатами, що використовуються в даний час. Хоча орієнтація волокна під час ткання зафіксована на 0 ° і 90 ° за напрямками основи та качка, стрічки UD можуть бути вирівняні з трактом навантаження відповідно до основних шляхів навантаження в будь-якій орієнтації волокна, використовуючи метод укладання стрічки. Крім того, укладання стрічок шарами не призводить до хвилеподібних волокон, а це означає, що можна використовувати повний механічний потенціал волокон у напівфабрикаті. Прокладаючи окремі стрічки UD-стрічки, можна також створити напівфабрикат майже чистої форми, тим самим мінімізуючи відходи матеріалу і, як результат, витрати на компоненти.
Індукована радіацією вакуумна консолідація
Схематичний процес-
процедура опромінення-
індуковане вакуумне ущільнення. (Джерело зображення: Fraunhofer ICT)
Відповідно до цих цілей розроблений процес використовує негативний тиск для створення тиску та інфрачервоне випромінювання для опалення. Це означає, що матеріал можна нагрівати та натискати м’яко, безпосередньо та швидко в захищеній атмосфері. Загальний процес відбувається в п’ять етапів. Спочатку спеціальну заготовку поміщають між двома половинами інструменту, які є прозорими для ІЧ-випромінювання. Потім вакуум накопичується і підтримується протягом усього процесу до видалення компонентів. Повітря, що потрапляє між окремими шарами, вже евакуюється і не може залишатися повітряним замком у консолідованій тканині. Коли матеріал переходить у розплавлений стан, повітря, що потрапляє під час виробництва стрічки, також може виходити, а це означає, що вміст пор може бути додатково зменшений.
Після досягнення цільової температури матеріал охолоджується і консолідовану спеціальну заготовку можна видалити. Тут можна завчасно перервати процес охолодження, щоб використати залишкове тепло в матеріалі для нагрівання в гібридному формуванні за течією. Завдяки спеціальному покриттю на половинках прес-форми, можна також укріпити більшість термопластів без розчинників. На додаток до короткого часу циклу, це все більш центральна вимога до автоматизованої подальшої обробки при з'єднанні та функціоналізації в гібридному формуванні.
Приклад поганого розподілу волокна у комерційній UD-стрічці (ліворуч) та низької якості просочення окремих стрічкових стрічок у консолідованій тканині (праворуч) (джерело зображення: Fraunhofer ICT)
Переваги розробленого процесу полягають також у низьких інвестиціях, зменшенні витіснення волокна через низький тиск у процесі та консолідації за винятком кисню. Спеціально для цього в інституті були проведені дослідження щодо термічної деградації шарів стрічки на основі поліаміду 6 залежно від температури процесу. Інші процеси іноді вимагають більш високих температур процесу, щоб компенсувати перенесення та пов'язане з цим охолодження, наприклад. Оскільки тепловтрати при індукованій радіацією вакуумній консолідації мінімальні завдяки теплоізоляції, температура процесу лише трохи перевищує температуру плавлення.
Разом з Діффенбахером вдалося перетворити розроблений процес на процес, придатний для великого виробництва. Системна технологія усуває вузьке місце в технологічному ланцюжку від стрічки до кінцевого композитного компонента з термопластичного волокна. Ланцюг процесів тепер доступний для спільного використання в науково-дослідних проектах. На додаток до системної технології, придатної для великого виробництва, Fraunhofer ICT, у співпраці з іншими партнерами, також пропонує специфічну підтримку процесу для проектування компонентів та модельного проектування.
Про автора
Тобіас Лінк
з 2015 року працює науковим співробітником у галузі термопластичної обробки в Інституті хімічної технології ім. Фраунгофера, Пфінцталь.