30.08.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Thomas Zenker
Colocación automatizada de fibras termoplásticas (TAFP): determinación del grado de cristalinidad en función de la posición dentro de la cadena de proceso
El uso de plásticos reforzados con fibra continua con sistemas de matriz termoplástica en la industria aeronáutica requiere el desarrollo de tecnologías de fabricación adecuadas para esta combinación de materiales. Un proceso prometedor en este contexto es la colocación automatizada de fibras (AFP). Obtenga más información sobre las cadenas de procesos para la producción de componentes estructurales y por qué el grado de Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad es decisivo.
La industria aeronáutica está en constante evolución. El uso de plásticos continuos reforzados con fibra con sistemas de matriz termoplástica requiere el desarrollo de tecnologías de fabricación adecuadas para esta combinación de materiales. Un proceso prometedor en este contexto es la colocación automatizada de fibras (AFP), un proceso de colocación altamente automatizado para la producción de compuestos continuos reforzados con fibras mediante un cabezal de colocación. Este cabezal de colocación puede montarse en un sistema de pórtico o en un robot (figura 1).
Gracias a los grados de libertad de que dispone el sistema, es posible -a diferencia de lo que ocurre con el filamento enrollado- tender sobre superficies cóncavas y seguir trayectorias no geodésicas de las fibras. En ambos casos, el material puede transportarse en el cabezal o almacenarse en un recinto separado y fijo (fileta). En el proceso AFP pueden procesarse preimpregnados con matrices reticulantes y termoplásticas.
Diferentes cadenas de procesos para la producción de componentes estructurales
Para la producción de componentes estructurales basados en cintas unidireccionales termoplásticas (cintas UD), se tienen en cuenta diferentes cadenas de procesos en la Colocación Automatizada de Fibras. En la TAFP in situ, el objetivo es lograr la consolidación total de la estructura durante la colocación. El complejo control del proceso de colocación limita en gran medida la geometría factible de los componentes objetivo, razón por la cual el proceso TAFP in situ se ha utilizado hasta ahora principalmente para componentes sencillos como depósitos, tuberías o paneles simplemente curvos. En cambio, las geometrías más complejas pueden realizarse mediante deposición en forma de red con consolidación posterior en el autoclave o la prensa de calentamiento. Alternativamente, el proceso TAFP también puede utilizarse para depositar preformas planas, que posteriormente se conforman en la forma final del componente en el proceso de termoformado basado en prensa y, por tanto, se consolidan. La Fig. 2 muestra un esquema de las cadenas de proceso descritas.
Por qué es decisivo el grado de cristalinidad
Como matriz de los compuestos termoplásticos se utilizan principalmente termoplásticos semicristalinos. Una propiedad central de estos polímeros es el grado de Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad, ya que la cadena polimérica resultante y la estructura cristalina tienen un efecto decisivo en las propiedades mecánicas del compuesto plástico. Dado que la matriz se funde completamente y se vuelve a solidificar en la etapa del proceso de consolidación o conformado, se investigó la influencia de esta etapa del proceso en el grado deCristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad del componente.
¿Cómo se fabricó la muestra de ensayo?
Para ello, se depositaron probetas de material de cinta PPS/CF UD del fabricante Celanese de Dallas, TX, EE.UU., en la máquina Coriolis C1 AFP (figura 3). Las cadenas de proceso de deposición de TAFP en el contorno final con consolidación posterior y transformación de la preforma de TAFP se muestrearon en una prensa de calentamiento del fabricante Langzauner (Lambrechten, Austria); además, las probetas se consolidaron en autoclave. En la tabla 1 se resumen los parámetros del proceso relevantes para la CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización, es decir, la presión y la velocidad de enfriamiento en el rango de temperaturas de la banda de Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad.
Tabla. 1: Parámetros del proceso de consolidación (extracto)
| Proceso | Presión | Velocidad de enfriamiento |
| Consolidación: prensa de calentamiento | 20 bar | -10 K/min |
| Consolidación: autoclave | 5 bar | -10 K/min |
| Transformación | 20 bar | Hasta -2950 K/min |
¿Cómo se determinó la cristalinidad?
Para determinar la Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad de la matriz de PPS en función del procesado, se empleó el método de calorimetría diferencial de barrido. Se utilizó un DSC 214 Polyma de NETZSCH (Selb, Alemania). Las muestras se calentaron de 20°C a 320°C a una velocidad de calentamiento de 10 K/min. Para cada cadena de proceso, se midieron cuatro muestras. Las condiciones de medición se resumen en la tabla 2.
Tabla 2: Condiciones de medición
| Peso de la muestra | 15-28 mg |
| Atmósfera | N2 |
| Caudal de gas | 60 ml/min |
| Programa de temperatura | 20°C -> 320°C (10 K/min) |
La Fig. 4 muestra a modo de ejemplo las curvas de medición de las muestras consolidadas en el autoclave
Cálculo del grado de cristalinidad
Según [4], se utilizó el valor de 150,4 J/g para la entalpía de fusión del PPS 100% cristalino.
Evaluando el primer pico de fusión mostrado en la figura 4, se obtiene una entalpía de fusión de 18,0 J/g para la muestra 1. La línea de base suave antes del pico significa que no se produce CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización en frío. Mediante el análisis químico húmedo, se determinó una fracción de masa de fibra del 61,32% para la muestra. El Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas. grado de cristalinidad se calcula según la fórmula (1):
La tabla 3 muestra los grados de Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad determinados de este modo en relación con sus posiciones dentro de la cadena de proceso. Cada uno de ellos refleja el valor medio de 4 mediciones individuales y su desviación estándar.
Tabla 3: Evaluación DSC
| Muestra | Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.Grado de cristalinidad [%] |
| Consolidación: prensa de calentamiento | 29.81 ± 2.02 |
| Consolidación: autoclave | 29.11 ± 1.12 |
| Transformación | 26.49 ± 1.65 |
Reducción de la cristalinidad del componente de la cadena del proceso de conformado
Por tanto, los grados de Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad de las muestras consolidadas en la prensa térmica y en el autoclave no difieren significativamente entre sí. Así pues, la mayor presión de consolidación de la prensa de calentamiento no tiene ningún efecto sobre la Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad.
Por el contrario, las muestras fabricadas en la cadena del proceso de conformación son menos cristalinas que las demás muestras. Esto puede explicarse principalmente por las elevadas velocidades de calentamiento del proceso. Debido a la elevada pérdida de calor por conducción cuando las muestras fundidas entran en contacto con la herramienta de prensado, que se templa a 150°C, se midieron velocidades de enfriamiento > 1000 K/s en la región de la banda de Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas.cristalinidad mediante termopares insertados en el laminado. Debido al corto tiempo de permanencia del polímero en la banda de temperatura de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización, las cadenas no tienen tiempo suficiente para empaquetarse estrechamente, lo que resulta en una menor cristalinidad del componente.
Por lo tanto, si en futuras investigaciones mecánicas se encontraran diferencias -por ejemplo, en lo que respecta a los valores característicos dominados por la matriz entre las cadenas de proceso-, la cristalinidad podría ser la razón subyacente. Sin embargo, si se sigue seleccionando la conformación como cadena de proceso -por ejemplo, para lograr altos índices de producción mediante tiempos de ciclo cortos-, puede ser necesario optimizar el control del proceso en determinados casos para aumentar el Cristalinidad / Grado de cristalinidadLa cristalinidad se refiere al grado de orden estructural de un sólido. En un cristal, la disposición de los átomos o moléculas es coherente y repetitiva. Muchos materiales, como la vitrocerámica y algunos polímeros, pueden prepararse de forma que produzcan una mezcla de regiones cristalinas y amorfas. grado de cristalinidad.
Acerca de Fraunhofer IGCV
Fraunhofer IGCV es sinónimo de investigación aplicada centrada en la ingeniería, la producción y las soluciones multimateriales. Posibilitamos innovaciones en procesos de fabricación y ciencias de los materiales, máquinas y cadenas de procesos, y redes de fábricas y empresas. Nuestra propuesta única de venta radica en soluciones interdisciplinarias de los campos de la fundición, los materiales compuestos y la tecnología de procesamiento.
Referencias
[1] Oldani T., "Increasing productivity in fiber placement processes," in sae aerospace manufacturing and automated fastening conference & exhibition, North Charleston, South Carolina, USA, 2008.
[2] Coriolis Composites, Coriolis C1 LA REFERENCIA EN COLOCACIÓN AUTOMATIZADA DE FIBRAS. [En línea]. Disponible: https://www.coriolis-composites.com/fiber-placement-machines/coriolis-c1/ (acceso: 29 de julio de 2019).
[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," 2005, doi: 10.2172/885940.
[4] F. Sacchetti, W. J.B. Grouve, L. L. Warnet e 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.