Ιστορία επιτυχίας πελάτη
Βελτιστοποίηση της σκλήρυνσης σύνθετων υλικών με τη βοήθεια λογισμικού διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης και κινητικής Neo
Μια αναφορά πεδίου σχετικά με τον τρόπο βελτιστοποίησης της διαδικασίας κατασκευής μιας ζάντας ποδηλάτου από άνθρακα
ΗBlacks S.r.l., μια ιταλική εταιρεία που εδρεύει στη Faenza (Κοιλάδα του Άνθρακα της περιοχής Emilia Romagna, Κεντρική Ιταλία), ειδικεύεται στο σχεδιασμό, την πρωτοτυποποίηση και την κατασκευή προηγμένων εξαρτημάτων από σύνθετα υλικά όπως άνθρακα, γυαλί, ίνες αραμιδίου και υβριδικά υφάσματα μέσω χειροποίητης τοποθέτησης και σκλήρυνσης σε αυτόκαυστο. Στη συνέχεια, συνοψίζουμε μια ιστορία επιτυχίας που σχετίζεται με τη βελτιστοποίηση ενός κύκλου σκλήρυνσης σε αυτόκαυστο μέσω δεδομένων DSC και ανάλυσης κινητικής. Αυτό το έργο συγκέντρωσε την τεχνογνωσία τόσο της Ε&Α της Blacks όσο και της υποστήριξης εφαρμογών NETZSCH.
“Όταν δοκιμάσαμε τον βαθμό σκλήρυνσης με DSC με τον ίδιο τρόπο που κάναμε για τις δύο προηγούμενες ζάντες ποδηλάτων, συνειδητοποιήσαμε ότι ο βελτιστοποιημένος κινητικά κύκλος σκλήρυνσης όχι μόνο μας επέτρεψε να μειώσουμε σχεδόν στο μισό τον χρόνο παραγωγής, αλλά και να βελτιώσουμε περαιτέρω τον βαθμό σκλήρυνσης. Ένα πραγματικά ευτυχές τέλος.”
Η Dr. Chiara Leonardi, R&D Manager της Blacks, εξηγεί:
"Η συνεργασία μας με την NETZSCH Analyzing & Testing ξεκίνησε όταν αποφασίσαμε να επεκτείνουμε τον έλεγχο των διεργασιών μας, δημιουργώντας ένα εργαστήριο εξοπλισμένο με ένα θερμιδόμετρο διαφορικής σάρωσης(DSC) και έναν θερμοβαρυμετρικό αναλυτή(TGA) της NETZSCH, τα οποία μας επιτρέπουν να ελέγχουμε τόσο τα prepregs όσο και τα σκληρυμένα προϊόντα.
Επιλέξαμε το NETZSCH λόγω της εκτεταμένης εμπειρίας και της αφοσιωμένης εστίασης στη βιομηχανία σύνθετων υλικών. Η πολυπλοκότητα των σύνθετων υλικών απαιτεί εξειδικευμένες γνώσεις και προσαρμοσμένες λύσεις και το NETZSCH έχει αποδείξει σταθερά την τεχνογνωσία του σε αυτόν τον τομέα.
Πέρα από την ποιότητα των οργάνων τους, ξεχωρίζουμε για την εξαιρετική εξυπηρέτηση των πελατών του NETZSCH: η διαδρομή από το όργανο selection έως την υποστήριξη μετά την αγορά είναι απρόσκοπτη, χάρη στην ευέλικτη και ενημερωμένη ομάδα εξυπηρέτησης πελατών τους. Η έγκαιρη βοήθεια, η καθοδήγηση για την αντιμετώπιση προβλημάτων και η συνεχής υποστήριξη έχουν αποδειχθεί ανεκτίμητες, ενισχύοντας τη συνεργασία μεταξύ της Blacks και του NETZSCH."
Δεκτή η πρόκληση:
Παραγωγή μιας ζάντας ποδηλάτου από άνθρακα
"Η καθημερινή μας ανάγκη είναι να εκτελούμε μετρήσεις ρουτίνας για τις εισερχόμενες πρώτες ύλες, τη γήρανση των prepregs, τις μεταβάσεις γυαλιού, την περιεκτικότητα σε ίνες και τον βαθμό σκλήρυνσης των τελικών μας προϊόντων, για να αναφέρουμε μόνο μερικά παραδείγματα", λέει ο Dr. Leonardi.
Καθώς τους ζητήθηκε να κατασκευάσουν μια ζάντα ποδηλάτου από άνθρακα, η Blacks αποφάσισε να αντιμετωπίσει μια νέα πρόκληση που περιλάμβανε τη χρήση της θερμικής ανάλυσης και την υποστήριξη των ειδικών εφαρμογών NETZSCH.
Ο επιδιωκόμενος βαθμός σκλήρυνσης για αυτή τη ζάντα ποδηλάτου ορίστηκε στο 95%, ώστε να διασφαλιστούν τόσο τα επίπεδα μηχανικής όσο και θερμικής απόδοσης που ζητούσε ο πελάτης. Η τιμή αυτή καθορίστηκε μετά τον αρχικό χαρακτηρισμό του prepreg selected που πραγματοποιήθηκε από το εργαστήριο θερμικής ανάλυσης της Blacks.
Όταν ξεκίνησε η φάση παραγωγής, ήταν σαφές για την Blacks ότι έπρεπε να βρει έναν θερμικό κύκλο κατάλληλο για την επίτευξη δύο βασικών στόχων: την επίτευξη του προκαθορισμένου στόχου σκλήρυνσης και τη μείωση των χρόνων διεργασίας.
"Η προσέγγισή μας είναι να εφαρμόζουμε, πρώτα απ' όλα, τον κύκλο σκλήρυνσης που προτείνεται στο τεχνικό δελτίο δεδομένων του prepreg. Και αυτή ήταν η περίπτωση για την παγίωση στο αυτόκαυστο της πρώτης πρωτότυπης ζάντας, της "SN1". Ωστόσο, αυτή η πρώτη παραγωγή έδειξε την ανάγκη για μετασκλήρυνση για να επιτευχθεί το επιθυμητό επίπεδο διασύνδεσης", εξηγεί ο Dr. Leonardi.
Για να χαρακτηριστεί ο επιτευχθείς βαθμός σκλήρυνσης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις DSC με τη χρήση του DSC 214 Polyma τόσο στην μη σκληρυμένη ρητίνη (prepreg) για την αξιολόγηση της συνολικής ενθαλπίας σκλήρυνσης αυτού του υλικού (Htot), όσο και - υπό τις ίδιες συνθήκες - σε ένα δείγμα SN1 για τη μέτρηση της υπολειπόμενης σκλήρυνσης (Hres).
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζονται οι καμπύλες DSC και τα αξιολογημένα σήματα εξώθερμης σκλήρυνσης για τις δύο μετρήσεις.
Ο βαθμός σκλήρυνσης (α) υπολογίστηκε με την ακόλουθη εξίσωση:
Για το SN1, η τιμή α προέκυψε 94,5%, επομένως χαμηλότερη από την επιδιωκόμενη.
Πώς να φτάσετε στο στοχευμένο βαθμό θεραπείας
Ελλείψει άλλων χρήσιμων πληροφοριών, η μέθοδος classic εξετάζει αν πρέπει είτε να αυξηθεί η μέγιστη θερμοκρασία είτε να παραταθεί ο χρόνος του ισοθερμοκρασιακού τμήματος.
Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δοκιμής και λάθους είναι χρονοβόρα- απαιτεί επίσης μεγάλες διακοπές λειτουργίας του αυτόκλειστου κλίβανου και υψηλή κατανάλωση πρώτων υλών. Επιπλέον, δεν είναι πάντα εκμεταλλεύσιμη: Για παράδειγμα, η επιλογή της μέγιστης θερμοκρασίας περιορίζεται από τη θερμοκρασία αποσύνθεσης της ίδιας της ρητίνης.
Σε αυτό το σημείο ήρθε στο προσκήνιο η τεχνογνωσία του NETZSCH.
"Αποφασίσαμε να παράγουμε ένα δεύτερο πρωτότυπο χείλος εφαρμόζοντας έναν κύκλο σκλήρυνσης παρόμοιο με τον πρώτο, αλλά με παρατεταμένη στάση. Αν και αυτός ο κύκλος πέτυχε τον επιδιωκόμενο βαθμό σκλήρυνσης, ο προκύπτων συνολικός χρόνος κύκλου των 8 ωρών ήταν πολύ μεγάλος για τις δυνατότητες παραγωγής μας", συνεχίζει ο Dr. Leonardi. "Ως εκ τούτου, ζητήσαμε από το NETZSCH να μας βοηθήσει να βρούμε ένα νέο και ταχύτερο θερμικό προφίλ. Πραγματοποιήσαμε κάποιες νέες μετρήσεις DSC στο prepreg και διαβιβάσαμε τα δεδομένα στο NETZSCH, το οποίο έκανε μαγικά με το λογισμικό Kinetics Neo"
Για τη διεξαγωγή κινητικών μελετών, τουλάχιστον τρεις διαφορετικές ράμπες θέρμανσης ή τρεις διαφορετικές ισοθερμοκρασίες είναι συνήθως υποχρεωτικές για μια πλήρη μέτρηση θερμικής ανάλυσης.
Σε αυτή την περίπτωση, η Blacks αποφάσισε να εφαρμόσει δυναμικές ράμπες με ρυθμούς 1, 2, 5 και 10 K/min. Τα προκύπτοντα αξιολογημένα θερμογραφήματα απεικονίζονται στο Σχήμα 2.
Εκτέλεση κινητικών μελετών και πρόβλεψη της συμπεριφοράς του υλικού
Για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς σκλήρυνσης για διαφορετικά σενάρια διεργασίας, τα δεδομένα DSC που μετρήθηκαν στις τέσσερις διαφορετικές ράμπες θέρμανσης μεταφορτώθηκαν στο λογισμικό NETZSCH Kinetics Neo.
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται η προσαρμογή της μετατροπής ως αποτέλεσμα της εφαρμογής της προσέγγισης χωρίς μοντέλο, που επιλέχθηκε μεταξύ των διαθέσιμων στο λογισμικό: Πρόκειται για μια νέα μαθηματική τεχνική που ονομάζεται "Αριθμητική βελτιστοποίηση", η οποία σχεδιάστηκε από το NETZSCH για να υποστηρίξει χρήστες χωρίς εμπειρία στην κινητική προσομοίωση και γενικά στη βιομηχανία, όπου οι χρονοβόρες αξιολογήσεις συχνά δεν είναι συμβατές με τις ανάγκες της παραγωγής.
Επιπλέον, για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση και, ως εκ τούτου, η ζημία του υλικού, ο μέγιστος ρυθμός αντίδρασης περιορίστηκε στο λογισμικό, ώστε να διασφαλιστεί ότι η τιμή του δεν θα ξεπερνούσε ποτέ την τιμή που μετρήθηκε για τον κύκλο σκλήρυνσης που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή του πρωτοτύπου SN2.
Ο συνολικός χρόνος για τον νέο κύκλο σκλήρυνσης που σχεδιάστηκε ήταν 260 λεπτά- σε σύγκριση με τα 480 λεπτά του προηγούμενου κύκλου, αυτό ακούγεται πραγματικά ελπιδοφόρο για εξοικονόμηση χρόνου στην παραγωγή.
Τι γίνεται όμως με τον στοχευμένο βαθμό σκλήρυνσης
Μικρότερος χρόνος, καλύτερη απόδοση σκλήρυνσης
Η Blacks βασίστηκε στον νέο βελτιστοποιημένο κύκλο σκλήρυνσης και αποφάσισε να τον εφαρμόσει για την κατασκευή ενός τρίτου πρωτοτύπου (SN3).
"Όταν ελέγξαμε τον βαθμό σκλήρυνσης με DSC με τον ίδιο τρόπο που κάναμε για τις δύο προηγούμενες ζάντες ποδηλάτου, συνειδητοποιήσαμε ότι ο βελτιστοποιημένος από την κινητική κύκλος σκλήρυνσης όχι μόνο μας επέτρεψε να μειώσουμε σχεδόν στο μισό τον χρόνο παραγωγής, αλλά και να βελτιώσουμε περαιτέρω τον βαθμό σκλήρυνσης. Ένα πραγματικά ευτυχές τέλος", καταλήγει ο Dr. Leonardi.
Πράγματι, ο κύκλος κατασκευής σε αυτόκαυστο της ζάντας ποδηλάτου από CFRP της Blacks S.r.l. μειώθηκε κατά 46% σε χρόνο σε σύγκριση με τον προηγούμενο κύκλο, ο οποίος είχε επιτύχει τον επιθυμητό στόχο σκλήρυνσης- επιπλέον, ξεπέρασε ακόμη και τον επιδιωκόμενο βαθμό σκλήρυνσης (με αποτέλεσμα 96,1%) και ταυτόχρονα αποφεύχθηκε η υπερθέρμανση.
Ο πίνακας 1 παρουσιάζει με μια ματιά τη σύγκριση όλων των σχετικών δεδομένων για την παραγωγή κάθε ζάντας ποδηλάτου.
Αυτή η μελέτη περίπτωσης δείχνει σαφώς πώς μπορούν να βελτιστοποιηθούν οι κύκλοι παραγωγής με μια συνδυασμένη προσέγγιση DSC-Kinetics. Σε σύγκριση με την κατασκευή με δοκιμή και σφάλμα, ο χαρακτηρισμός και η προσομοίωση υλικών είναι πολύ πιο αποδοτική και απαιτεί μόλις μερικά χιλιοστόγραμμα ρητίνης, επιφέροντας έτσι μεγάλη εξοικονόμηση κόστους στη βιομηχανία σύνθετων υλικών τόσο σε επίπεδο πρώτων υλών όσο και σε επίπεδο χρόνου παραγωγής.
Ευχαριστίες
Η συνεργασία μεταξύ της Blacks S.r.l. και του NETZSCH είναι ενεργή εδώ και χρόνια και έχει επεκταθεί και σε άλλους τομείς. Η Dr. Chiara Leonardi υπήρξε συχνά προσκεκλημένη ομιλήτριά μας σε συνέδρια, σεμινάρια και διαδικτυακά σεμινάρια.
Επιπλέον, η Blacks αναπτύσσεται συνεχώς. Επί του παρόντος, βρίσκεται σε διαδικασία διπλασιασμού των εργοστασίων της. Ο νέος χώρος παραγωγής, που βρίσκεται επίσης στη Faenza, θα επιτρέψει τη σημαντική αύξηση της επιχειρησιακής ικανότητας και της ικανότητας Ε&Α της Blacks, φιλοξενώντας έως και 150 εργαζομένους, σύγχρονα αυτόκλειστα, εξοπλισμό και εργαλεία.
Η ανάπτυξη αυτή επιβεβαίωσε τη συνεχή δέσμευσή τους στην επιδίωξη της αριστείας και της καινοτομίας.
Φαίνεται πραγματικά ότι η Blacks μοιράζεται το όραμά μας για την Αποδεδειγμένη Αριστεία!
Συγχαίρουμε τον πελάτη μας για τις μελλοντικές του προοπτικές και ευχαριστούμε για άλλη μια φορά την Dr. Chiara Leonardi για την υποστήριξη, ενώ ανυπομονούμε να αντιμετωπίσουμε μαζί νέες προκλήσεις.
