ИСТОРИЯ ЗА УСПЕХ НА КЛИЕНТА
Оптимизиране на втвърдяването на композитни материали чрез диференциална сканираща калориметрия и софтуер Neo Kinetics
Полеви доклад за това как да оптимизираме производствения процес на карбонова велосипедна джанта
Blacks S.r.l., италианска компания със седалище във Фаенца (Карбонова долина в регион Емилия-Романя, Централна Италия), е специализирана в проектирането, прототипирането и производството на компоненти от съвременни композитни материали, като въглеродни, стъклени, арамидни влакна и хибридни тъкани, чрез ръчно полагане и втвърдяване в автоклав. По-долу обобщаваме историята на един успех, свързан с оптимизирането на цикъла на втвърдяване в автоклав чрез DSC данни и кинетичен анализ. Този проект обедини опита на изследователската и развойна дейност на Blacks и на приложната поддръжка на NETZSCH.
“Когато тествахме степента на втвърдяване чрез DSC по същия начин, както при предишните две джанти, разбрахме, че оптимизираният по кинетика цикъл на втвърдяване ни позволи не само да намалим почти наполовина времето за производство, но и да подобрим допълнително степента на втвърдяване. Истински щастлив край.”
Д-р Киара Леонарди, ръководител на научноизследователската и развойна дейност в Blacks, обяснява:
"Сътрудничеството ни с NETZSCH Analyzing & Testing започна, когато решихме да разширим контрола на процесите си, като създадем лаборатория, оборудвана с диференциален сканиращ калориметър(DSC) и термогравиметричен анализатор(TGA) от NETZSCH, които ни позволяват да контролираме както препрегите, така и втвърдените продукти.
Избрахме NETZSCH заради богатия опит и специалната насоченост към производството на композитни материали. Сложността на композитните материали изисква специализирани познания и индивидуални решения, а NETZSCH последователно демонстрира своя опит в този сектор.
Освен заради качеството на техните инструменти, ние се отличаваме с изключителната грижа за клиентите на NETZSCH: пътуването от избора на инструменти до поддръжката след покупката е безпроблемно, благодарение на техния отзивчив и компетентен екип за обслужване на клиенти. Навременната помощ, насоките за отстраняване на неизправности и постоянната поддръжка се оказаха безценни, като затвърдиха партньорството между Blacks и NETZSCH."
Прието предизвикателство:
Производство на карбонова джанта за велосипед
"Ежедневната ни нужда е да извършваме рутинни измервания на входящите суровини, стареенето на препрегите, преходите между стъклата, съдържанието на влакна и степента на втвърдяване на крайните ни продукти, само за да спомена някои примери", казва д-р Леонарди.
Тъй като от тях се изисква да произведат карбонова джанта за велосипед, Blacks решават да се изправят пред ново предизвикателство, което включва използването на термичен анализ и подкрепата на специалистите по приложения на NETZSCH.
Целевата степен на втвърдяване за тази велосипедна джанта беше определена на 95%, за да се осигурят както механичните, така и термичните нива на ефективност, изисквани от клиента. Тази стойност беше определена след първоначалното охарактеризиране на избрания препрег, извършено от лабораторията за термичен анализ на Blacks.
Когато започна производствената фаза, за Blacks беше ясно, че трябва да намерят термичен цикъл, подходящ за постигане на две основни цели: постигане на предварително зададената цел за втвърдяване и съкращаване на времето за процеса.
"Нашият подход е да прилагаме преди всичко цикъла на втвърдяване, предложен в техническия паспорт на препрега. Такъв беше случаят с автоклавното консолидиране на първия прототип на джантата - "SN1". Това първо производство обаче показа необходимостта от последващо втвърдяване, за да се постигне желаното ниво на омрежване", обяснява д-р Леонарди.
За да се определи постигнатата степен на втвърдяване, бяха извършени DSC измервания с помощта на DSC 214 Polyma както на невтвърдената смола (препрег), за да се оцени общата енталпия на втвърдяване на този материал (Htot), така и - при същите условия - на пробата SN1, за да се измери остатъчното втвърдяване (Hres).
На фигура 1 са показани DSC кривите и оценените екзотермични сигнали за втвърдяване за двете измервания.
Степента на втвърдяване (α) е изчислена със следното уравнение:
За SN1 стойността на α се оказа 94,5%, т.е. по-ниска от целевата.
Как да постигнете желаната степен на втвърдяване?
При липса на друга полезна информация методът classic преценява дали да се увеличи максималната температура или да се удължи времето на изотермичния сегмент.
Този подход на принципа "проба-грешка" обаче отнема много време; освен това той изисква дълги престои на автоклава и голям разход на суровини. Освен това той невинаги може да бъде използван: Например, максималната температура е ограничена от температурата на разлагане на самата смола.
Тук се намесва ноу-хауто на NETZSCH.
"Решихме да произведем втори прототип на джантата, като приложим цикъл на втвърдяване, подобен на първия, но с продължителен застой. Въпреки че този цикъл постигна целевата степен на втвърдяване, полученото общо време на цикъла от 8 часа беше твърде дълго за нашите производствени възможности", продължава д-р Леонарди. "Затова помолихме NETZSCH да ни помогне да намерим нов и по-бърз термичен профил. Извършихме няколко нови DSC измервания на препрега и предадохме данните на NETZSCH, който направи магия със своя софтуер Kinetics Neo."
За извършване на кинетични изследвания обикновено са задължителни поне три различни рампи на нагряване или три различни изотермични температури за пълно измерване на термичния анализ.
В този случай Блекс решава да приложи динамични рампи със скорост 1, 2, 5 и 10 K/min. Получените оценени термограми са представени на фигура 2.
Извършване на кинетични изследвания и прогнозиране на поведението на материала
За да се предскаже поведението на материала при различни сценарии на процеса, данните от DSC, измерени при четирите различни рампи на нагряване, бяха качени в софтуера NETZSCH Kinetics Neo.
На фигура 3 е показано прилягането на преобразуването в резултат на прилагането на подхода без модел, избран измежду наличните в софтуера: Това е нова математическа техника, наречена "Числена оптимизация", разработена от NETZSCH в подкрепа на потребителите без опит в кинетичната симулация и в промишлеността като цяло, където отнемащите време оценки често не са съвместими с производствените нужди.
Освен това, за да се избегне прегряване и съответно повреда на материала, максималната скорост на реакцията беше ограничена в софтуера, за да се гарантира, че нейната стойност никога няма да надвиши измерената стойност за цикъла на втвърдяване, използван за производството на прототипа SN2.
Общото време за новопроектирания цикъл на втвърдяване се оказа 260 минути; в сравнение с 480-те минути на предишния цикъл, това звучи наистина обещаващо за спестяване на време в производството.
Но какво да кажем за целевата степен на втвърдяване?
По-кратко време, по-добра ефективност на втвърдяване
Blacks разчита на новия оптимизиран цикъл на втвърдяване и решава да го приложи за производството на трети прототип (SN3).
"Когато тествахме степента на втвърдяване чрез DSC по същия начин, по който го направихме за предишните две велосипедни джанти, разбрахме, че оптимизираният по кинетика цикъл на втвърдяване ни позволи не само да намалим почти наполовина времето за производство, но и да подобрим допълнително степента на втвърдяване. Истински щастлив край", заключава д-р Леонарди.
Действително, цикълът на производство в автоклав на CFRP джанта за велосипеди от Blacks S.r.l. е съкратен с 46% във времето в сравнение с предишния цикъл, който е постигнал желаната цел на втвърдяване; освен това дори е надхвърлена целевата степен на втвърдяване (с резултат 96,1%) и същевременно е избегнато прегряване.
В Таблица 1 е показано накратко сравнението на всички релевантни данни за производството на всяка велосипедна джанта.
Този казус ясно демонстрира как производствените цикли могат да бъдат оптимизирани с комбиниран подход DSC-Кинетика. В сравнение с производството по метода "проба-грешка", характеризирането на материала и симулацията са много по-ефективни и изискват само няколко милиграма смола, като по този начин носят големи икономии на разходи на композитната индустрия както по отношение на суровините, така и на времето за производство.
Благодарности
Сътрудничеството между Blacks S.r.l. и NETZSCH е активно от години и се разширява в други области. Д-р Киара Леонарди често е била наш гост-лектор на конференции, семинари и уебинари.
Освен това Blacks непрекъснато се разраства. В момента те са в процес на удвояване на фабриките си. Новата производствена площадка, която също се намира във Фаенца, ще позволи значително увеличаване на оперативния и научноизследователския капацитет на Blacks, като приеме до 150 работници, модерни автоклави, оборудване и инструменти.
Този ръст потвърждава техния постоянен ангажимент към стремежа за постигане на високи постижения и иновации.
Наистина изглежда, че Blacks споделя нашата визия за доказано съвършенство!
Поздравяваме нашия клиент за бъдещите му перспективи и още веднъж благодарим на д-р Киара Леонарди за подкрепата, като същевременно очакваме с нетърпение да се изправим заедно пред нови предизвикателства.
