Ügyfél SIKERES TÖRTÉNET
A kompozitok keményedésének optimalizálása differenciál pásztázó kalorimetria és a Kinetics Neo szoftver segítségével
Terepi jelentés a karbon kerékpárfelni gyártási folyamatának optimalizálásáról
ABlacks S.r.l., egy olasz vállalat, amelynek székhelye Faenza (Emilia Romagna régió Carbon Valley, Közép-Olaszország), fejlett kompozit anyagok, például szén, üveg, aramid szálak és hibrid szövetek kézi rétegezéssel és autoklávos kikeményítéssel történő tervezésével, prototípus készítésével és gyártásával foglalkozik. A következőkben egy autoklávos kikeményítési ciklus optimalizálásával kapcsolatos sikertörténetet foglalunk össze DSC-adatok és kinetikai elemzés segítségével. Ez a projekt egyesítette a Blacks K+F és a NETZSCH alkalmazási támogatásának szakértelmét.
“Amikor DSC-vel teszteltük a keményedési fokot, ugyanúgy, mint az előző két kerékpárfelni esetében, rájöttünk, hogy a kinetikailag optimalizált keményítési ciklus nemcsak a gyártási idő közel felére csökkentését tette lehetővé, hanem a keményedési fok további javítását is. Igazi happy end.”
Dr. Chiara Leonardi, a Blacks K+F menedzsere elmagyarázza:
"A NETZSCH Analyzing & Testing céggel való együttműködésünk akkor kezdődött, amikor úgy döntöttünk, hogy bővítjük folyamataink ellenőrzését egy olyan laboratórium felállításával, amely a NETZSCH cég differenciál pásztázó kaloriméterével(DSC) és termogravimetriás analizátorával(TGA) van felszerelve, amelyek lehetővé teszik számunkra mind a prepregek, mind a kikeményített termékek ellenőrzését.
Azért választottuk a NETZSCH weboldalt, mert itt nagy tapasztalattal rendelkeznek és elkötelezettek a kompozitok ipara iránt. A kompozit anyagok összetettsége speciális tudást és személyre szabott megoldásokat igényel, és a NETZSCH folyamatosan bizonyította szakértelmét ebben az ágazatban.
Műszereik minőségén túl a NETZSCHkivételes ügyfélszolgálatával is kitűntünk: a műszer kiválasztásától a vásárlás utáni támogatásig tartó út zökkenőmentes, köszönhetően az érzékeny és hozzáértő ügyfélszolgálati csapatuknak. Az időben nyújtott segítség, a hibaelhárítási útmutatás és a folyamatos támogatás felbecsülhetetlen értékűnek bizonyult, megerősítve a Blacks és a NETZSCH közötti partnerséget."
Elfogadott kihívás:
Karbon kerékpárfelni gyártása
"Napi szükségletünk, hogy rutinszerű méréseket végezzünk a beérkező nyersanyagokra, a prepregek öregedésére, az üvegátmenetekre, a száltartalomra és a végtermékeink keményedési fokára vonatkozóan, hogy csak néhány példát említsünk" - mondja Dr. Leonardi.
Mivel felkérték őket egy szénszálas kerékpárfelni gyártására, a Blacks úgy döntött, hogy új kihívással néz szembe, amelyhez a termikus analízis használata és a NETZSCH alkalmazással foglalkozó szakembereinek támogatása szükséges.
A kerékpárfelni célzott keményedési fokát 95%-ban határozták meg, hogy biztosítsák mind a mechanikai, mind a termikus teljesítményszintet, amelyet az ügyfél kért. Ezt az értéket a kiválasztott prepregnek a Blacks hőelemző laboratóriumában végzett kezdeti jellemzése után határozták meg.
Amikor a gyártási fázis megkezdődött, a Blacks számára egyértelmű volt, hogy olyan hőciklust kell találniuk, amely alkalmas két fő cél elérésére: az előre beállított keményítési célérték elérésére és a folyamatidő lerövidítésére.
"A mi megközelítésünk az, hogy mindenekelőtt a prepreg műszaki adatlapján javasolt hőkezelési ciklust alkalmazzuk. És ez volt a helyzet az első prototípus felni, az "SN1" autoklávos konszolidációjánál is. Ez az első gyártás azonban megmutatta, hogy a kívánt térhálósodási szint eléréséhez utólagos kikeményítésre van szükség" - magyarázza Dr. Leonardi.
Az elért keményedési szint minősítése érdekében DSC méréseket végeztek a DSC 214 Polyma készülékkel mind a kikeményítetlen gyantán (prepreg), hogy értékeljék az anyag teljes keményedési entalpiáját (Htot), mind - ugyanilyen körülmények között - egy SN1 mintán, hogy mérjék a maradék keményedést (Hres).
Az 1. ábra mutatja a DSC-görbéket és a két mérés kiértékelt ExotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció exoterm, ha hő keletkezik.exotermikus keményedési jeleit.
A keményedés mértékét (α) a következő egyenlet segítségével számoltuk ki:
Az SN1 esetében az α-érték 94,5% volt, tehát alacsonyabb a célértéknél.
Hogyan érjük el a megcélzott gyógyulási fokot?
Egyéb hasznos információ hiányában a classic módszer azt mérlegeli, hogy növelni kell-e a maximális hőmérsékletet, vagy meg kell-e hosszabbítani az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus szakasz idejét.
Ez a próba-hiba módszer azonban időigényes; emellett hosszú autokláv-leállási időt és nagy nyersanyagfogyasztást igényel. Ráadásul nem mindig kihasználható: Például a maximálisan megválasztható hőmérsékletet maga a gyanta bomlási hőmérséklete korlátozza.
Itt lépett a képbe a NETZSCH know-how.
"Úgy döntöttünk, hogy egy második prototípus felnit készítünk az elsőhöz hasonló, de hosszabb stagnálással járó kikeményítési ciklus alkalmazásával. Bár ez a ciklus elérte a megcélzott keményedési fokot, az így kapott 8 órás teljes ciklusidő túl hosszú volt a gyártási kapacitásunkhoz képest" - folytatja Dr. Leonardi. "Ezért felkértük a NETZSCH weboldalt, hogy segítsen nekünk egy új és gyorsabb hőprofil megtalálásában. Elvégeztünk néhány új DSC-mérést a prepregen, és az adatokat átadtuk a NETZSCH, aki a Kinetics Neo szoftverével varázsolt"."
A kinetikai vizsgálatok elvégzéséhez általában legalább három különböző fűtési rámpa vagy három különböző IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus hőmérséklet kötelező a teljes hőelemzési méréshez.
Ebben az esetben Blacks úgy döntött, hogy 1, 2, 5 és 10 K/perc sebességű dinamikus rámpákat alkalmaz. Az így kapott kiértékelt termogramok a 2. ábrán láthatók.
Kinetikai vizsgálatok elvégzése és az anyag viselkedésének előrejelzése
A különböző folyamatforgatókönyvekre vonatkozó keményedési viselkedés előrejelzéséhez a négy különböző fűtési rámpán mért DSC-adatokat feltöltöttük a NETZSCH Kinetics Neo szoftverbe.
A 3. ábra mutatja a szoftverben rendelkezésre álló modellek közül kiválasztott modellmentes megközelítés alkalmazásának eredményeként kapott konverziós illesztést: Ez egy új matematikai technika, az úgynevezett "numerikus optimalizálás", amelyet a NETZSCH a kinetikai szimulációban nem jártas felhasználók támogatására tervezett, és általában az iparban, ahol az időigényes kiértékelések gyakran nem egyeztethetők össze a termelési igényekkel.
A túlmelegedés és ezáltal az anyag károsodásának elkerülése érdekében a szoftverben korlátozták a maximális reakciósebességet, hogy annak értéke soha ne haladja meg az SN2 prototípus előállításához használt keményítési ciklusban mért értéket.
Az újonnan tervezett keményítési ciklus teljes ideje 260 percnek bizonyult; a korábbi 480 perchez képest ez valóban ígéretesnek tűnt a gyártási időmegtakarítás szempontjából.
De mi a helyzet a megcélzott keményedési fokkal?
Rövidebb idő, jobb gyógyítási hatékonyság
A Blacks az újonnan optimalizált kikeményítési ciklusra támaszkodott, és úgy döntött, hogy azt alkalmazza egy harmadik prototípus (SN3) gyártásánál.
"Amikor DSC-vel ugyanúgy megvizsgáltuk a keményedési fokot, mint az előző két kerékpárfelni esetében, rájöttünk, hogy a kinetikailag optimalizált keményítési ciklus nemcsak azt tette lehetővé, hogy a gyártási időt majdnem a felére csökkentsük, hanem azt is, hogy tovább javítsuk a keményedési fokot. Igazi happy end" - zárta mondandóját Dr. Leonardi.
Valóban, a Blacks S.r.l. által gyártott CFRP kerékpárfelni autoklávos gyártási ciklusa 46%-kal csökkent időben a korábbi ciklushoz képest, amely elérte a kívánt keményítési célt; sőt, még a megcélzott keményedési fokot is túlteljesítette (96,1%-os eredménnyel), és egyúttal elkerülte a túlmelegedést.
Az 1. táblázat az egyes kerékpárfelnik gyártására vonatkozó összes releváns adat összehasonlítását mutatja be egy pillantással.
Ez az esettanulmány egyértelműen bemutatja, hogy a gyártási ciklusok hogyan optimalizálhatók a kombinált DSC-Kinetika megközelítéssel. A próbálgatással és tévedéssel történő gyártáshoz képest az anyagjellemzés és szimuláció sokkal hatékonyabb, és mindössze néhány milligramm gyantát igényel, így nagy költségmegtakarítást hoz a kompozitipar számára mind a nyersanyagok, mind a gyártási idő tekintetében.
Köszönetnyilvánítás
A Blacks S.r.l. és a NETZSCH közötti együttműködés évek óta aktív, és más területekre is kiterjedt. Dr. Chiara Leonardi gyakran volt vendégelőadónk konferenciákon, szemináriumokon és webináriumokon.
A Blacks ráadásul folyamatosan növekszik. Jelenleg a gyáraik megduplázása van folyamatban. Az új, szintén Faenzában található gyártóüzem lehetővé teszi a Blacks működési és K+F kapacitásának jelentős növelését, akár 150 munkavállaló, modern autoklávok, berendezések és szerszámok befogadásával.
Ez a növekedés megerősítette folyamatos elkötelezettségüket a kiválóságra és az innovációra való törekvés mellett.
Úgy tűnik, hogy a Blacks valóban osztja a Proven Excellence víziónkat!
Gratulálunk ügyfelünknek a jövőbeli kilátásokhoz, és még egyszer köszönjük Dr. Chiara Leonardinak a támogatást, miközben várjuk, hogy együtt nézzünk szembe az új kihívásokkal.
