19.12.2022 by Dr. Chiara Baldini
60 år med NETZSCH-Gerätebau: Sådan optimeres hærdningen af kompositter
Som en del af vores årelange fejring af 60-års jubilæet, som fokuserer på softwareløsninger i december, vil vi gerne genbesøge et vellykket casestudie i dag. Denne artikel er blevet til takket være et samarbejde med Blacks S.r.l., en italiensk virksomhed, der er specialiseret i design, prototyper og fremstilling af avancerede kompositmaterialekomponenter som kulstof, glas, aramidfibre og hybridstoffer ved hjælp af håndoplægning og autoklavehærdning.
Kinetics Neo - en succeshistorie:
I det følgende opsummerer vi hele historien sammen med Dr. Chiara Leonardi, R&D Manager hos Blacks.
"For nogle år siden besluttede vi at udvide vores laboratorium ved at købe både en DSC og en TGA fra NETZSCH for at kunne kontrollere både prepregs og hærdede produkter. Vores daglige behov er at foretage rutinemæssige målinger af indgående råmaterialer, ældning af prepregs, glasovergange, fiberindhold og hærdningsgraden af vores slutprodukter, bare for at nævne nogle eksempler," siger Dr. Leonardi.
I 2018 stod Blacks over for en ny udfordring: De blev bedt om at producere en cykelfælg af kulfiber. Den ønskede hærdningsgrad blev sat til 95 % for at sikre både de mekaniske og termiske præstationsniveauer, som kunden ønskede. Denne værdi blev defineret efter den indledende karakterisering af den valgte prepreg, som blev udført af Blacks' laboratorium for termisk analyse.
Da produktionsfasen startede, stod det klart for Blacks, at de var nødt til at finde en termisk cyklus, der var egnet til at nå to hovedmål: at nå det forudindstillede hærdningsmål og forkorte procestiderne.
"Vores tilgang er først og fremmest at anvende den hærdningscyklus, der er foreslået i prepregens tekniske datablad. Og det var tilfældet med autoklavekonsolideringen af den første prototypefælg, 'SN1'. Denne første produktion viste dog, at der var behov for efterhærdning for at opnå det ønskede tværbindingsniveau," husker Dr. Leonardi.
For at kvalificere den opnåede hærdningsgrad blev der udført DSC-målinger med DSC 214 Polyma på både den uhærdede resin (prepreg) for at evaluere den samlede hærdningsenthalpi for dette materiale (Htot) og - under de samme betingelser - på en SN1-prøve for at måle den resterende Hærdning (tværbindingsreaktioner)Bogstaveligt oversat betyder udtrykket "crosslinking" "krydsnetværk". I kemisk sammenhæng bruges det om reaktioner, hvor molekyler knyttes sammen ved at indføre kovalente bindinger og danne tredimensionelle netværk.hærdning (Hres).
Figur 1 viser DSC-kurverne og de evaluerede exoterme hærdningssignaler for de to målinger.
Hærdningsgraden (α) blev beregnet med følgende ligning:
For SN1 var α-værdien 94,5 % og dermed lavere end målet.
Hvordan opnår man den ønskede hærdningsgrad?
I mangel af andre nyttige oplysninger overvejer classic -metoden, om man enten skal øge den maksimale temperatur eller forlænge tiden for det isotermiske segment.
Denne trial-and-error-tilgang er dog tidskrævende; den kræver også lange nedetider i autoklaven og har et højt forbrug af råmaterialer. Desuden kan den ikke altid udnyttes: For eksempel er det maksimale temperaturvalg begrænset af nedbrydningstemperaturen for selve harpiksen.
Det er her, NETZSCH knowhow kommer ind i billedet.
"Vi besluttede at fremstille en anden prototypefælg ved at anvende en hærdningscyklus svarende til den første, men med en længerevarende stase. Selv om denne cyklus nåede den ønskede hærdningsgrad, var den resulterende samlede cyklustid på 8 timer for lang til vores produktionskapacitet," fortsætter Dr. Leonardi. "Derfor bad vi NETZSCH om at hjælpe os med at finde en ny og hurtigere termisk profil. Vi udførte nogle nye DSC-målinger på prepreg'en, og vi sendte dataene til NETZSCH, som tryllede med sin Kinetics Neo-software."
For at udføre kinetiske undersøgelser er det normalt nødvendigt med mindst tre forskellige opvarmningsramper eller tre forskellige isotermiske temperaturer for at få en komplet termisk analysemåling.
I dette tilfælde besluttede Blacks at anvende dynamiske ramper med hastigheder på 1, 2, 5 og 10 K/min. De resulterende evaluerede termogrammer er vist i figur 2.
Udførelse af kinetiske undersøgelser og forudsigelse af materialets opførsel
For at forudsige hærdningsadfærden for forskellige processcenarier blev DSC-dataene målt ved de fire forskellige opvarmningsramper uploadet til NETZSCH Kinetics Neo-softwaren - som på det tidspunkt lige var blevet udviklet.
Figur 3 viser konverteringstilpasningen som et resultat af anvendelsen af den modelfrie tilgang, der er valgt blandt dem, der er tilgængelige i softwaren: Dette er en ny matematisk teknik kaldet "Numerisk optimering", designet af NETZSCH til at støtte brugere uden erfaring med kinetisk simulering og i industrien generelt, hvor tidskrævende evalueringer ofte ikke er kompatible med produktionsbehov.
For at undgå overophedning og dermed materialeskader blev den maksimale reaktionshastighed desuden begrænset i softwaren for at sikre, at dens værdi aldrig oversteg den, der blev målt for den hærdningscyklus, der blev brugt til at producere SN2-prototypen.
Den samlede tid for den nydesignede hærdningscyklus viste sig at være 260 minutter; sammenlignet med 480 minutter for den tidligere cyklus lød det meget lovende med hensyn til tidsbesparelser i produktionen.
Men hvad med den målrettede hærdningsgrad?
Kortere tid, bedre hærdningseffektivitet
Blacks stolede på den nye optimerede hærdningscyklus og besluttede at anvende den til at fremstille en tredje prototype (SN3).
"Da vi testede hærdningsgraden med DSC, på samme måde som vi gjorde med de to foregående cykelfælge, indså vi, at den kinetikoptimerede hærdningscyklus ikke kun gjorde det muligt for os næsten at halvere produktionstiden, men også at forbedre hærdningsgraden yderligere. En virkelig lykkelig slutning," konkluderer Dr. Leonardi.
Faktisk blev Blacks S.r.l.'s autoklaveproduktionscyklus for CFRP-cykelfælgen reduceret med 46 % i tid sammenlignet med den tidligere cyklus, som havde opnået det ønskede hærdningsmål; desuden overskred den endda den ønskede hærdningsgrad (med et slutresultat på 96,1 %) og undgik overophedning på samme tid.
Figur 4 viser sammenligningen af alle relevante data for produktionen af hver enkelt cykelfælg på et øjeblik.
Dette casestudie viste tydeligt, hvordan produktionscyklusser kan optimeres med en kombineret DSC-Kinetik-tilgang. Sammenlignet med trial-and-error-produktion er materialekarakterisering og -simulering meget mere effektiv og kræver kun nogle få milligram harpiks, hvilket giver kompositindustrien store omkostningsbesparelser med hensyn til både råmaterialer og produktionstid.
Taknemmelighed
Samarbejdet mellem Blacks S.r.l. og NETZSCH blev udvidet til andre områder og er stadig aktivt. Dr. Chiara Leonardi har ofte været vores gæstetaler på konferencer, seminarer og webinarer.
Casestudiet "Curing Optimization" blev også præsenteret over hele verden og offentliggjort i Compositi Magazine (decemberudgaven, 2018: side 20-28). Her kan du læse hele artiklen for at få dybere indsigt i dette projekt.
Desuden vokser Blacks konstant: Den femte udgave af undersøgelsen "Champions of Growth" fra det tyske ITQF Quality Institute anerkendte Blacks som en af de 800 virksomheder, der drev det økonomiske opsving i år med en gennemsnitlig årlig vækstrate på over 11,3 % i den treårige periode fra 2018 til 2021.
Denne anerkendelse bekræftede deres fortsatte forpligtelse til at stræbe efter ekspertise og innovation. Det ser virkelig ud til, at Blacks deler vores Proven Excellence-vision!
Vi lykønsker vores kunde og takker endnu en gang Dr. Chiara Leonardi for støtten, samtidig med at vi ser frem til at møde nye udfordringer sammen.
______________________________________________________________________________________
For mere information om, hvordan du bruger vores Kinetics Neo-software til at modellere hærdningsprocessen, kan du besøge den dedikerede website-sektion.
Hvis du er interesseret i at se det optagede webinar præsenteret af Dr. Chiara Leonardi, bedes du kontakte vores italienske afdelingskontor direkte via e-mail: info.niv@NETZSCH.com