19.12.2022 by Dr. Chiara Baldini
60 años de NETZSCH-Gerätebau: Cómo optimizar el curado de los composites
Como parte de la celebración de nuestro 60 aniversario, que en diciembre se centrará en las soluciones de software, hoy queremos volver a hablar de un caso de éxito. Este artículo ha sido posible gracias a la colaboración con Blacks S.r.l., una empresa italiana especializada en el diseño, la creación de prototipos y la fabricación de componentes de materiales compuestos avanzados, como carbono, vidrio, fibras de aramida y tejidos híbridos, mediante laminado manual y Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado en autoclave.
Kinetics Neo - Una historia de éxito:
A continuación, resumimos toda la historia junto con la Dra. Chiara Leonardi, Directora de I+D de Blacks.
"Hace algunos años, decidimos ampliar nuestro laboratorio adquiriendo un DSC y un TGA a NETZSCH, con el fin de controlar tanto los productos preimpregnados como los curados. Nuestra necesidad diaria es realizar mediciones rutinarias de las materias primas entrantes, el envejecimiento de los prepregs, las transiciones vítreas, el contenido de fibra y el grado de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado de nuestros productos finales, por mencionar solo algunos ejemplos", afirma el Dr. Leonardi.
En 2018, Blacks se enfrentó a un nuevo reto: se les pidió que produjeran una llanta de carbono para bicicletas. El grado de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado objetivo se fijó en el 95%, para garantizar tanto los niveles de rendimiento mecánico como térmico solicitados por el cliente. Este valor se definió tras la caracterización inicial del preimpregnado seleccionado realizada por el laboratorio de análisis térmico de Blacks.
Cuando comenzó la fase de producción, Blacks tuvo claro que necesitaba encontrar un ciclo térmico adecuado para alcanzar dos objetivos principales: alcanzar el objetivo de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado preestablecido y acortar los tiempos de proceso.
"Nuestro enfoque consiste en aplicar, en primer lugar, el ciclo de Curado (reacciones de reticulación)Traducido literalmente, el término "reticulación" significa "creación de redes cruzadas". En el contexto químico, se utiliza para designar reacciones en las que las moléculas se unen introduciendo enlaces covalentes y formando redes tridimensionales.curado sugerido en la ficha técnica del preimpregnado. Y este fue el caso de la consolidación en autoclave del primer prototipo de llanta, la 'SN1'. Sin embargo, esta primera producción puso de manifiesto la necesidad de un postcurado para alcanzar el nivel de reticulación deseado", recuerda el Dr. Leonardi.
Para calificar el nivel de curado alcanzado, se realizaron mediciones DSC utilizando el DSC 214 Polyma tanto en la resina sin curar (preimpregnada) para evaluar la entalpía de curado total de este material (Htot), como -en las mismas condiciones- en una muestra SN1 para medir el curado residual (Hres).
La figura 1 muestra las curvas DSC y las señales de curado ExotérmicoUna transición de muestra o una reacción es exotérmica si se genera calor.exotérmico evaluadas para las dos mediciones.
El grado de curado (α) se calculó con la siguiente ecuación:
Para SN1, el valor α fue del 94,5%, es decir, inferior al objetivo.
¿Cómo alcanzar el grado de curado deseado?
A falta de cualquier otra información útil, el método classic considera la posibilidad de aumentar la temperatura máxima o prolongar el tiempo del segmento IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmico.
Sin embargo, este método de ensayo y error requiere mucho tiempo, así como largos tiempos de inactividad del autoclave y un elevado consumo de materias primas. Además, no siempre es aprovechable: Por ejemplo, la elección de la temperatura máxima está limitada por la temperatura de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de la propia resina.
Ahí es donde entran en juego los conocimientos técnicos de NETZSCH.
"Decidimos producir un segundo prototipo de llanta aplicando un ciclo de curado similar al primero, pero con una inmovilización prolongada. Aunque este ciclo alcanzó el grado de curado deseado, la duración total del ciclo resultante, 8 horas, era demasiado larga para nuestras capacidades de producción", prosigue el Dr. Leonardi. "Por lo tanto, pedimos a NETZSCH que nos ayudara a encontrar un perfil térmico nuevo y más rápido. Realizamos nuevas mediciones DSC en el preimpregnado y pasamos los datos a NETZSCH, que hizo magia con su software Kinetics Neo"
Para realizar estudios cinéticos, normalmente son obligatorias al menos tres rampas de calentamiento o tres temperaturas isotérmicas diferentes para una medición de análisis térmico completa.
En este caso, Blacks decidió aplicar rampas dinámicas a velocidades de 1, 2, 5 y 10 K/min. Los termogramas evaluados resultantes se representan en la figura 2.
Realización de estudios cinéticos y predicción del comportamiento del material
Para predecir el comportamiento de curado para diferentes escenarios de proceso, los datos DSC medidos en las cuatro rampas de calentamiento diferentes se cargaron en el software NETZSCH Kinetics Neo, que en aquel momento acababa de desarrollarse.
La figura 3 muestra el ajuste de conversión resultante de aplicar el enfoque sin modelo, elegido entre los disponibles en el software: Se trata de una nueva técnica matemática denominada "Optimización numérica", diseñada por NETZSCH para ayudar a los usuarios sin experiencia en simulación cinética y en la industria en general, donde las evaluaciones que requieren mucho tiempo no suelen ser compatibles con las necesidades de producción.
Además, para evitar el sobrecalentamiento y, por tanto, daños en el material, se limitó la velocidad de reacción máxima en el software, para garantizar que su valor nunca superara el medido para el ciclo de curado utilizado para producir el prototipo SN2.
El tiempo total para el nuevo ciclo de curado diseñado resultó ser de 260 minutos; comparado con los 480 minutos del anterior, esto sonaba realmente prometedor para ahorrar tiempo en la producción.
Pero, ¿qué ocurre con el grado de curado previsto?
Menor tiempo, mayor eficacia de curado
Blacks confió en el nuevo ciclo de curado optimizado y decidió aplicarlo para fabricar un tercer prototipo (SN3).
"Cuando probamos el grado de curado por DSC, de la misma forma que hicimos con las dos llantas de bicicleta anteriores, nos dimos cuenta de que el ciclo de curado optimizado por la cinética no sólo nos permitía reducir casi a la mitad el tiempo de producción, sino también mejorar aún más el grado de curado. Un verdadero final feliz", concluye el Dr. Leonardi.
De hecho, el ciclo de fabricación en autoclave de la llanta de bicicleta de CFRP de Blacks S.r.l. se redujo en un 46% en tiempo con respecto al ciclo anterior, que había alcanzado el objetivo de curado deseado; además, incluso se superó el grado de curado previsto (con un resultado final del 96,1%) y se evitó el sobrecalentamiento al mismo tiempo.
La figura 4 muestra de un vistazo la comparación de todos los datos relevantes para la producción de cada llanta de bicicleta.
Este caso práctico demostró claramente cómo pueden optimizarse los ciclos de producción con un enfoque combinado de DSC y cinética. En comparación con la fabricación por ensayo y error, la caracterización y simulación de materiales es mucho más eficiente y sólo requiere unos pocos miligramos de resina, lo que supone un gran ahorro de costes para la industria de los compuestos, tanto en materias primas como en tiempo de producción.
Agradecimientos
La colaboración entre Blacks S.r.l. y NETZSCH se extendió a otros ámbitos y sigue activa. La Dra. Chiara Leonardi ha sido a menudo nuestra ponente invitada en conferencias, seminarios y seminarios web.
El estudio de caso "Optimización del curado" también se presentó en todo el mundo y se publicó en Compositi Magazine (Número de diciembre de 2018: páginas 20-28). Aquí puede leer el artículo completo para profundizar en este proyecto.
Además, Blacks no deja de crecer: la quinta edición de la encuesta "Champions of Growth" del Instituto Alemán de Calidad ITQF reconoció a Blacks entre las 800 empresas que impulsaron la recuperación económica este año, con una tasa media de crecimiento anual superior al 11,3 % en el trienio 2018-2021.
Este reconocimiento reafirmó su compromiso continuo con la búsqueda de la excelencia y la innovación. ¡Realmente parece que Blacks comparte nuestra visión de Excelencia Probada!
Felicitamos a nuestro cliente y agradecemos una vez más a la Dra. Chiara Leonardi el apoyo, al tiempo que esperamos afrontar nuevos retos juntos.
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Para obtener más información sobre cómo utilizar nuestro software Kinetics Neo para modelar el proceso de curado, visite la sección dedicada del sitio web.
Si está interesado en ver la grabación del seminario web presentado por la Dra. Chiara Leonardi, póngase en contacto directamente con nuestra sucursal italiana a través del correo electrónico info.niv@NETZSCH.com