Автоматизирано поставяне на термопластични влакна (TAFP): определяне на степента на кристалност въз основа на позицията в технологичната верига

Авиационната индустрия непрекъснато се развива. Използването на непрекъснати пластмаси, подсилени с влакна, с термопластични матрични системи изисква разработването на подходящи производствени технологии за тази комбинация от материали. Един от обещаващите процеси в този контекст е Automated Fiber Placement (AFP) - високоавтоматизиран процес на полагане за производство на непрекъснати композитни материали, армирани с влакна, посредством глава за полагане. Тази глава за полагане може да бъде монтирана на портална система или на робот (фигура 1).

Инсталация за автоматизирано поставяне на влакна (AFP) с портален робот, който поставя непрекъснати влакна върху извита повърхност, демонстрирайки усъвършенствано производство на композитни материали. — Фигура 1: Концепции за растенията: Автоматизирано полагане на ленти (ATL)/автоматизирано поставяне на влакна (AFP) (а) портална инсталация за ATL [1]; (б) роботизирана инсталация за AFP [2]

Благодарение на наличните степени на свобода на системата е възможно - за разлика от навиването на нишки - да се полагат върху вдлъбнати повърхности и да се следват негеодезични пътища на влакната. И в двата случая материалът може да се пренася на главата или да се съхранява в отделен, стационарен корпус (крил). В процеса на AFP могат да се обработват препреги както с омрежващи, така и с термопластични матрици.

Схема на технологичните вериги на TAFP, илюстрираща етапите на полагане на място, вакуумно пакетиране, консолидация в автоклав и термоформоване. — Фигура 2: Процесни вериги на базата на TAFP (а) Консолидиране на TAFP на място: полагане на място, разформироване; (б) Полагане на TAFP в крайния контур с последващо консолидиране: полагане, вакуумно пакетиране, консолидиране в автоклав, разформироване; (в) Трансформиране на процесна верига на заготовки от TAFP: полагане, притискане, предварително нагряване, термоформоване, разформироване

Различни технологични вериги за производство на структурни компоненти

За производството на структурни компоненти, базирани на термопластични еднопосочни ленти (UD ленти), при автоматизираното поставяне на влакна се вземат предвид различни технологични вериги. При in-situ TAFP целта е да се постигне пълна консолидация на конструкцията по време на поставянето. Сложният контрол на процеса на полагане силно ограничава осъществимата геометрия на целевите компоненти, поради което процесът in-situ TAFP досега е използван предимно за прости компоненти като резервоари, тръби или просто извити панели. Вместо това по-сложни геометрии могат да се реализират чрез полагане с мрежова форма с последваща консолидация в автоклав или нагряваща преса. Алтернативно процесът TAFP може да се използва и за отлагане на плоски заготовки, които впоследствие се оформят в крайната форма на компонента в процеса на термоформоване на базата на преса и по този начин се консолидират. На фиг. 2 е показана схема на описаните технологични вериги.

Защо степента на кристалност е определяща

Като матрица на термопластичните композити се използват предимно полукристални термопласти. Основно свойство на тези полимери е степента на кристалност, тъй като получената полимерна верига и кристална структура имат решаващо влияние върху механичните свойства на пластмасовия композит. Тъй като матрицата се разтопява напълно и се втвърдява отново в етапа на консолидация или формиране, беше изследвано влиянието на този етап от процеса върху степента на кристалност на компонента.

Автоматизирана инсталация за поставяне на влакна Coriolis C1 разполага с усъвършенствана роботизирана ръка за прецизно производство на композитни материали. — Фигура 3: Автоматизирана инсталация за поставяне на влакна Coriolis C1 на Fraunhofer IGCV

Как е произведен образецът за изпитване?

За тази цел тестовите образци, изработени от лентов материал PPS/CF UD от производителя Celanese в Далас, Тексас, САЩ, бяха нанесени върху машината Coriolis C1 AFP (фигура 3). Процесните вериги на отлагане на TAFP в крайния контур с последващо консолидиране и трансформиране на TAFP преформата бяха взети на нагревателна преса от производителя Langzauner (Lambrechten, Австрия); освен това образците бяха консолидирани в автоклав. В таблица 1 са обобщени параметрите на процеса, които са от значение за кристализацията, т.е. налягането и скоростта на охлаждане в температурния диапазон на диапазона на кристалност.

Таблица. 1: Параметри на процеса на консолидиране (извадка)

Процес	Налягане	Скорост на охлаждане
Консолидиране: загряваща преса	20 bar	-10 K/min
Консолидация: автоклав	5 бара	-10 K/min
Трансформация	20 bar	До -2950 K/min

Как се определя кристалността?

За определяне на кристалността на PPS матрицата в зависимост от обработката е използван методът на диференциалната сканираща калориметрия. Използван е DSC 214 Polyma на NETZSCH (Selb, Германия). Образците са нагрявани от 20°C до 320°C при скорост на нагряване 10 K/min. За всяка технологична верига бяха измерени четири проби. Условията на измерване са обобщени в таблица 2.

Таблица. 2: Условия на измерване

Тегло на образеца	15-28 mg
Атмосфера	_N2
Дебит на газа	60 ml/min
Температурна програма	20°C -> 320°C (10 K/min)

На фиг. 4 са показани примерни криви на измерване на пробите, консолидирани в автоклава

NETZSCH Rosand RH07 е високопроизводителен лабораторен смесител със срязване, идеален за прецизна обработка на материали. — Фигура 4: Криви на измерване на DSC на серията проби от автоклава За по-лесно тълкуване, изместена по абсцисната ос

Изчисляване на степента на кристалност

Степента на кристалност _Xc е определена съгласно [3]:

Според [4] за енталпията на синтез на 100% кристален PPS е използвана стойността от 150,4 J/g.

Чрез оценка на първия пик на топене, показан на фигура 4, за образец 1 се получава енталпия на топене от 18,0 J/g. Плавната базова линия преди пика означава, че не се извършва студена кристализация. С помощта на мокър химичен анализ за образеца е определена масова фракция на влакната от 61,32 %. Степента на кристалност се изчислява по формула (1):

Уравнение за изчисляване на степента на кристалност (Xc) в термопластични композити; демонстриране на усъвършенстван производствен процес.

В таблица 3 са показани определените по този начин степени на кристалност в зависимост от позицията им в технологичната верига. Всяка от тях отразява средната стойност на 4 отделни измервания и тяхното стандартно отклонение.

Таблица 3: DSC оценка

Образец	Степен на кристалност [%]
Консолидация: преса за нагряване	29.81 ± 2.02
Консолидация: автоклав	29.11 ± 1.12
Трансформация	26.49 ± 1.65

Намалена кристалност на компонента от веригата на процеса на формоване

Поради това степента на кристалност на пробите, консолидирани в нагряващата преса и в автоклава, не се различава съществено една от друга. По този начин по-високото налягане на консолидиране в нагряващата преса не оказва влияние върху кристалността.

За разлика от тях образците, произведени по веригата на формовъчния процес, са по-малко кристални от останалите образци. Това може да се обясни преди всичко с високите скорости на нагряване при процеса. Поради високите загуби на топлина при проводимост, когато разтопените образци влизат в контакт с пресовия инструмент, който се темперира при 150 °C, в областта на лентата на кристалност бяха измерени скорости на охлаждане > 1000 K/s посредством термодвойки, поставени в ламината. Поради краткото време на престой на полимера в температурния диапазон на кристализация, веригите нямат достатъчно време да се опаковат плътно, което води до намалена кристалност на компонента.

Следователно, ако при бъдещи механични изследвания се установят разлики - например по отношение на характерните стойности, доминирани от матрицата, между процесните вериги - причината за тях може да бъде кристалността. Ако обаче формоването все пак бъде избрано като технологична верига - например, за да се постигне висока скорост на производство чрез кратки времена на цикъла - тогава в някои случаи може да се наложи оптимизиране на управлението на процеса, за да се повиши степента на кристалност.

За Fraunhofer IGCV

Fraunhofer IGCV е организация за приложни изследвания с фокус върху инженерни, производствени и многоматериални решения. Ние даваме възможност за иновации в производствените процеси и науките за материалите, машините и технологичните вериги, както и фабричните и фирмените мрежи. Нашето уникално предложение за продажба се състои в интердисциплинарни решения от областта на леенето, композитните материали и технологията за обработка.

Препратки

[1] Oldani T., "Increasing productivity in fiber placement processes" (Повишаване на производителността в процесите на поставяне на влакна), в конференцията и изложението на Sae за аерокосмическо производство и автоматизирано закрепване, Северен Чарлстън, Южна Каролина, САЩ, 2008 г.

[2] Coriolis Composites, Coriolis C1 THE REFERENCE IN AUTOMATED FIBER PLACEMENT (Кориолис СМР , Кориолис С1 - референцията в областта на автоматизираното поставяне на влакна). [Онлайн]. Достъпно на: https://www.coriolis-composites.com/fiber-placement-machines/coriolis-c1/ (посетен на: 29 юли 2019 г.).

[3] J. E. Spruiell, "A review of the measurement and development of crystallinity and its relation to properties in neat poly (phenylene sulfide) and its fiber reinforced composites" (Преглед на измерването и развитието на кристалността и връзката ѝ със свойствата на чист поли (фенилен сулфид) и неговите композити, подсилени с влакна), 2005 г., doi: 10.2172/885940.

[4] F. Sacchetti, W. J.B. Grouve, L. L. Warnet и I. F. Villegas, "Effect of cooling rate on the interlaminar fracture toughness of unidirectional Carbon/PPS laminates", Engineering Fracture Mechanics, 2018, doi: 10.1016/j.engfracmech.2018.02.022.