30.08.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Thomas Zenker
Termoplasztikus automatizált szálelhelyezés (TAFP): a kristályossági fok meghatározása a folyamatláncban elfoglalt pozíció alapján
A folyamatos szálerősítésű műanyagok és a hőre lágyuló mátrixrendszerek repülőgépiparban történő alkalmazása megköveteli az ilyen anyagkombinációhoz megfelelő gyártási technológiák kifejlesztését. Az egyik ígéretes eljárás ebben az összefüggésben az automatizált szálelhelyezés (AFP). Tudjon meg többet a szerkezeti elemek gyártásához szükséges folyamatláncokról, és arról, hogy miért meghatározó a Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályossági fok.
A légiközlekedési ágazat folyamatosan fejlődik. A folytonos szálerősítésű műanyagok hőre lágyuló mátrixrendszerekkel való alkalmazása megköveteli az ilyen anyagkombinációhoz megfelelő gyártási technológiák kifejlesztését. Az egyik ígéretes eljárás ebben az összefüggésben az Automated Fiber Placement (AFP), egy nagymértékben automatizált elhelyezési eljárás a folyamatos szálerősítésű kompozitok gyártásához egy fektetőfej segítségével. Ez a fektetőfej vagy portálrendszerre, vagy robotra szerelhető (1. ábra).
A rendszer rendelkezésre álló szabadsági fokainak köszönhetően - a tekercselőszálakkal ellentétben - lehetőség van homorú felületekre történő felrakásra és nem geodéziai szálak útvonalának követésére. Mindkét esetben az anyagot vagy a fejen lehet magunkkal vinni, vagy egy különálló, helyhez kötött burkolatban (kreel) tárolni. Az AFP-eljárásban mind térhálósító, mind hőre lágyuló mátrixú prepregek feldolgozhatók.
Különböző folyamatláncok a szerkezeti elemek gyártásához
A hőre lágyuló egyirányú szalagokon (UD-szalagok) alapuló szerkezeti elemek gyártásához az automatizált szálelhelyezésben különböző folyamatláncokat vesznek figyelembe. Az in-situ TAFP esetében a cél a szerkezet teljes konszolidációjának elérése az elhelyezés során. A fektetési folyamat bonyolult folyamatszabályozása erősen korlátozza a célalkatrészek megvalósítható geometriáját, ezért az in-situ TAFP-eljárást eddig elsősorban egyszerű alkatrészek, például tartályok, csövek vagy egyszerűen ívelt panelek esetében alkalmazták. Bonyolultabb geometriák ehelyett háló alakú lerakással valósíthatók meg, az autoklávban vagy fűtőprésben történő utólagos konszolidációval. A TAFP-eljárás alternatívaként sík előformák lerakására is használható, amelyeket később a préselésen alapuló hőformázási folyamatban az alkatrész végső alakjára formáznak, és ezáltal konszolidálnak. A 2. ábra a leírt eljárásláncok vázlatos ábráját mutatja.
Miért döntő a kristályossági fok
A hőre lágyuló kompozitok mátrixaként elsősorban félkristályos hőre lágyuló műanyagokat használnak. E polimerek központi tulajdonsága a Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályossági fok, mivel az így kialakuló polimerlánc- és kristályszerkezet döntő hatással van a műanyag kompozit mechanikai tulajdonságaira. Mivel a mátrixot a konszolidációs vagy alakítási folyamat lépésében teljesen megolvasztják és újra megszilárdítják, ezért vizsgálták ennek a folyamatlépésnek a hatását az alkatrész kristályossági fokára.
Hogyan készült a vizsgálati minta?
Ebből a célból a Celanese (Dallas, TX, USA) gyártójának PPS/CF UD szalaganyagából készült próbatesteket helyeztek el a Coriolis C1 AFP gépen (3. ábra). A folyamatláncok TAFP lerakása a végső kontúrban, aTAFP előformánakaz utólagos konszolidálásával és átalakításával a gyártó Langzauner (Lambrechten, Ausztria) melegítőprésén vett mintát; ezen kívül a próbatesteket autoklávban konszolidálták. Az 1. táblázat összefoglalja a KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás szempontjából lényeges folyamatparamétereket, azaz a nyomást és a hűtési sebességet a kristályossági sáv hőmérsékleti tartományában.
Táblázat. 1. táblázat: A konszolidációs folyamat paraméterei (kivonat)
| Folyamat | Nyomás | Hűtési sebesség |
| Konszolidálás: fűtőprés | 20 bar | -10 K/perc |
| Konszolidálás: autokláv | 5 bar | -10 K/min |
| Átalakulás | 20 bar | -2950 K/min-ig |
Hogyan határozták meg a kristályosságot?
A PPS mátrix Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosságának meghatározására a feldolgozás függvényében a differenciál pásztázó kalorimetriás módszert alkalmazták. A NETZSCH (Selb, Németország) DSC 214 Polyma készülékét használták. A mintákat 20 °C-tól 320 °C-ig melegítettük 10 K/perc fűtési sebességgel. Minden egyes technológiai lánc esetében négy mintát mértünk. A mérési feltételeket a 2. táblázat foglalja össze.
Táblázat. 2. táblázat: Mérési feltételek
| A minta tömege | 15-28 mg |
| Atmoszféra | N2 |
| Gázáramlás | 60 ml/perc |
| Hőmérséklet program | 20°C -> 320°C (10 K/min) |
A 4. ábra az autoklávban konszolidált minták mérési görbéit mutatja példaként
A kristályossági fok kiszámítása
Az Xc kristályossági fokot a [3] szerint határozták meg:
A [4] szerint a 100%-ban kristályos PPS fúziós entalpiájára 150,4 J/g értéket használtak.
A 4. ábrán látható első olvadási csúcs kiértékelésével az 1. minta esetében 18,0 J/g fúziós entalpiát kapunk. A csúcs előtti sima alapvonal azt jelenti, hogy nem történik hidegkristályosodás. Nedves kémiai elemzéssel 61,32%-os száltömeg-tartalmat határoztunk meg a mintadarab esetében. A kristályossági fokot az (1) képlet szerint számították ki:
A 3. táblázat az így meghatározott kristályossági fokokat mutatja be a folyamatláncban elfoglalt helyükhöz viszonyítva. Ezek mindegyike 4 egyedi mérés átlagértékét és azok szórását tükrözi.
Táblázat: DSC-értékelés
| Minta | Kristályossági fok [%] |
| Szilárdítás: fűtőprés | 29.81 ± 2.02 |
| Konszolidáció: autokláv | 29.11 ± 1.12 |
| Átalakulás | 26.49 ± 1.65 |
Az alkotóelem csökkent kristályossága a formázási folyamatláncból származó komponenseknél
A fűtőprésben és az autoklávban konszolidált minták kristályossági foka tehát nem különbözik jelentősen egymástól. A fűtőprés magasabb konszolidációs nyomása tehát nincs hatással a kristályosságra.
Ezzel szemben a formázási folyamatláncban előállított minták kevésbé kristályosak, mint a többi minta. Ez elsősorban az eljárás nagy fűtési sebességével magyarázható. A nagy vezetési hőveszteség miatt, amikor az olvadt minták érintkeznek a 150 °C-on temperált présszerszámmal, a rétegelt lemezbe helyezett hőelemek segítségével > 1000 K/s-os hűtési sebességeket mértünk a kristályossági sáv területén. A polimer rövid tartózkodási ideje miatt a kristályosodási hőmérséklettartományban a láncoknak nincs elegendő idejük arra, hogy szorosan összecsomagolódjanak, ami az alkatrész Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosságának csökkenését eredményezi.
Így amennyiben a jövőbeni mechanikai vizsgálatok során eltéréseket találunk - például a mátrix-dominált jellemző értékek tekintetében a folyamatláncok között -, akkor a Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosság lehet az ok. Ha azonban továbbra is a formázást választják folyamatláncként - például a rövid ciklusidők révén nagy gyártási sebesség elérése érdekében -, akkor bizonyos esetekben a folyamatirányítás optimalizálására lehet szükség a Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosság fokának növelése érdekében.
A Fraunhofer IGCV-ről
A Fraunhofer IGCV a mérnöki, gyártási és multimateriális megoldásokra összpontosító alkalmazott kutatást képviseli. Innovációkat teszünk lehetővé a gyártási folyamatok és anyagtudományok, a gépek és folyamatláncok, valamint a gyár- és vállalati hálózatok területén. Egyedülálló ajánlatunk az öntés, a kompozit és a feldolgozási technológia interdiszciplináris megoldásaiban rejlik.
Hivatkozások
[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 THE REFERENCE IN AUTOMATED FIBER PLACEMENT. [Online]. Elérhető: https://www.coriolis-composites.com/fiber-placement-machines/coriolis-c1/ (hozzáférés: 2019. július 29.).
[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 és 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.