Penempatan Serat Otomatis Termoplastik (TAFP): Penentuan Derajat Kristalinitas berdasarkan Posisi dalam Rantai Proses

Industri penerbangan terus berkembang. Penggunaan plastik yang diperkuat serat kontinu dengan sistem matriks termoplastik memerlukan pengembangan teknologi manufaktur yang sesuai untuk kombinasi material ini. Salah satu proses yang menjanjikan dalam konteks ini adalah Automated Fiber Placement (AFP), proses penempatan yang sangat otomatis untuk produksi komposit berpenguat serat kontinu dengan menggunakan kepala peletakan. Kepala peletakan ini dapat dipasang pada sistem gantry atau robot (gambar 1).

Pabrik Penempatan Serat Otomatis (AFP) dengan robot gantry yang menempatkan serat kontinu pada permukaan yang melengkung, menampilkan manufaktur komposit yang canggih. — Gambar 1: Konsep Pabrik: Automated Tape Laying (ATL) / Penempatan Serat Otomatis (AFP) (a) pabrik ATL gantry [1]; (b) pabrik AFP berbasis robot [2]

Berkat derajat kebebasan sistem yang tersedia, dimungkinkan - berbeda dengan filamen berliku - untuk memasang pada permukaan cekung dan mengikuti jalur serat non-geodesik. Dalam kedua kasus tersebut, material dapat dibawa di kepala atau disimpan dalam wadah stasioner yang terpisah (creel). Dalam proses AFP, prepreg dengan matriks ikatan silang dan termoplastik dapat diproses.

Skema rantai proses TAFP, mengilustrasikan layup in-situ, pengantongan vakum, konsolidasi autoklaf, dan langkah-langkah thermoforming. — Gambar 2: Rantai proses berdasarkan TAFP (a) Konsolidasi in-situ TAFP: peletakan in-situ, demolding; (b) Penyimpanan TAFP dalam kontur akhir dengan konsolidasi hilir: peletakan, pengantongan vakum, konsolidasi dalam autoklaf, debagging; (c) Rantai proses transformasi bentuk awal TAFP: peletakan, penjepitan, pemanasan awal, pembentukan panas, pembentukan panas, demolding

Rantai Proses yang Berbeda untuk Produksi Komponen Struktural

Untuk produksi komponen struktur berdasarkan pita searah termoplastik (pita UD), rantai proses yang berbeda dipertimbangkan dalam Penempatan Serat Otomatis. Dalam TAFP in-situ, tujuannya adalah untuk mencapai konsolidasi penuh struktur selama penempatan. Kontrol proses yang kompleks untuk proses peletakan sangat membatasi geometri yang layak dari komponen target, itulah sebabnya proses TAFP in-situ sejauh ini telah digunakan terutama untuk komponen sederhana seperti tangki, pipa, atau panel melengkung. Geometri yang lebih kompleks dapat direalisasikan dengan deposisi bentuk-bersih dengan konsolidasi hilir dalam autoklaf atau mesin pemanas. Sebagai alternatif, proses TAFP juga dapat digunakan untuk menyimpan bentuk awal yang rata, yang kemudian dibentuk menjadi bentuk akhir komponen dalam proses thermoforming berbasis press dan dengan demikian dikonsolidasikan. Gbr. 2 menunjukkan skema rantai proses yang dijelaskan.

Mengapa tingkat kristalinitas sangat menentukan

Terutama termoplastik semi-kristal digunakan sebagai matriks komposit termoplastik. Sifat utama dari polimer ini adalah tingkat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas, karena rantai polimer dan struktur kristal yang dihasilkan memiliki efek yang menentukan pada sifat mekanik komposit plastik. Karena matriks benar-benar meleleh dan dipadatkan kembali pada langkah proses konsolidasi atau pembentukan, pengaruh langkah proses ini pada tingkat kristalinitas komponen diselidiki.

Pabrik Penempatan Serat Otomatis Coriolis C1 dilengkapi dengan lengan robotik yang canggih untuk pembuatan komposit yang presisi. — Gambar 3: Pabrik Penempatan Serat Otomatis Coriolis C1 dari Fraunhofer IGCV

Bagaimana spesimen uji diproduksi?

Untuk tujuan ini, spesimen uji yang terbuat dari bahan pita PPS/CF UD dari pabrikan Celanese di Dallas, TX, AS, diendapkan pada mesin Coriolis C1 AFP (gambar 3). Rantai proses pengendapan TAFP dalam kontur akhir dengan konsolidasi hilir dan Transformasi bentuk awal TAFP diambil sampelnya pada mesin pemanas oleh pabrikan Langzauner (Lambrechten, Austria); sebagai tambahan, spesimen dikonsolidasikan dalam autoklaf. Tabel 1 merangkum parameter proses yang relevan untuk KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi, yaitu tekanan dan laju pendinginan pada kisaran suhu pita Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas.

Tabel. 1: Parameter proses konsolidasi (kutipan)

Proses	Tekanan	Laju pendinginan
Konsolidasi: pemanasan tekan	20 bar	-10 K / menit
Konsolidasi: autoklaf	5 bar	-10 K / menit
Transformasi	20 bar	Hingga -2950 K/menit

Bagaimana kristalinitas ditentukan?

Untuk penentuan Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas matriks PPS sebagai fungsi dari pemrosesan, metode Differential Scanning Calorimetry digunakan. DSC 214 Polyma oleh NETZSCH (Selb, Jerman) digunakan. Sampel dipanaskan dari 20°C hingga 320°C dengan laju pemanasan 10 K/menit. Untuk setiap rantai proses, empat sampel diukur. Kondisi pengukuran dirangkum dalam tabel 2.

Tabel. 2: Kondisi pengukuran

Berat sampel	15-28 mg
Atmosfer	_N2
Laju aliran gas	60 ml / menit
Program suhu	20°C -> 320°C (10 K/menit)

Gbr. 4 menunjukkan contoh kurva pengukuran sampel yang dikonsolidasikan dalam autoklaf

NETZSCH Rosand RH07 adalah mixer geser laboratorium berkinerja tinggi, ideal untuk pemrosesan material yang presisi. — Gambar 4: Kurva pengukuran DSC dari seri sampel autoklaf Untuk interpretasi yang lebih sederhana, digeser pada absis

Perhitungan tingkat kristalinitas

Derajat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas_Xc ditentukan menurut [3]:

Persamaan yang merinci perhitungan derajat kristalinitas dalam komposit termoplastik. Relevan untuk penelitian Penempatan Serat Otomatis.

Menurut [4], nilai 150,4 J/g digunakan untuk entalpi fusi 100% PPS kristal.

Dengan mengevaluasi puncak leleh pertama yang ditunjukkan pada gambar 4, diperoleh entalpi fusi sebesar 18,0 J/g untuk sampel 1. Garis dasar yang halus sebelum puncak berarti tidak ada KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi dingin yang terjadi. Melalui analisis kimia basah, fraksi massa serat sebesar 61,32% ditentukan untuk spesimen. Derajat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas dihitung menurut rumus (1):

Persamaan untuk menghitung tingkat kristalinitas (Xc) dalam komposit termoplastik; mendemonstrasikan proses manufaktur tingkat lanjut.

Tabel 3 menunjukkan Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. derajat kristalinitas yang ditentukan dengan cara ini sehubungan dengan posisinya dalam rantai proses. Masing-masing mencerminkan nilai rata-rata dari 4 pengukuran individual dan deviasi standarnya.

Tabel 3: Evaluasi DSC

Spesimen	Derajat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas [%]
Konsolidasi: pemanasan tekan	29.81 ± 2.02
Konsolidasi: autoklaf	29.11 ± 1.12
Transformasi	26.49 ± 1.65

Mengurangi Kristalinitas Komponen dari Rantai Proses Pembentukan

Oleh karena itu, Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. derajat kristalinitas sampel yang dikonsolidasikan dalam alat pemanas dan autoklaf tidak berbeda secara signifikan satu sama lain. Tekanan konsolidasi yang lebih tinggi dari alat pemanas tidak berpengaruh pada Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas.

Sebaliknya, sampel yang diproduksi dalam rantai proses pembentukan kurang kristalin daripada sampel lainnya. Hal ini terutama dapat dijelaskan oleh laju pemanasan yang tinggi dari proses tersebut. Karena tingginya kehilangan panas konduktif saat sampel cair bersentuhan dengan alat penekan, yang ditempa pada suhu 150 ° C, laju pendinginan > 1000 K / s diukur di wilayah pita Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas dengan menggunakan termokopel yang dimasukkan ke dalam laminasi. Karena waktu tinggal polimer yang singkat dalam kisaran suhu KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi, rantai tidak memiliki waktu yang cukup untuk mengemas diri mereka sendiri dengan erat sehingga mengurangi kristalinitas komponen.

Dengan demikian, jika perbedaan ditemukan dalam penyelidikan mekanis di masa depan - misalnya, sehubungan dengan nilai karakteristik yang didominasi matriks antara rantai proses - maka kristalinitas mungkin menjadi alasan di baliknya. Namun, jika pembentukan masih harus dipilih sebagai rantai proses - misalnya, untuk mencapai tingkat produksi yang tinggi melalui waktu siklus yang pendek - maka optimalisasi kontrol proses mungkin perlu dilakukan dalam kasus-kasus tertentu untuk meningkatkan Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. derajat kristalinitas.

Tentang Fraunhofer IGCV

Fraunhofer IGCV adalah singkatan dari penelitian terapan dengan fokus pada solusi teknik, produksi, dan multi-material. Kami memungkinkan inovasi dalam proses manufaktur dan ilmu material, mesin dan rantai proses, serta jaringan pabrik dan perusahaan. Proposisi nilai jual kami yang unik terletak pada solusi interdisipliner dari bidang teknologi pengecoran, komposit, dan pemrosesan.

Referensi

[1] Oldani T., "Meningkatkan produktivitas dalam proses penempatan serat," dalam 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]. Tersedia: https://www.coriolis-composites.com/fiber-placement-machines/coriolis-c1/ (diakses: 29 Juli 2019).

[3] J. E. Spruiell, "Sebuah tinjauan tentang pengukuran dan pengembangan kristalinitas dan hubungannya dengan sifat-sifat pada poli (fenilena sulfida) yang rapi dan komposit berpenguat seratnya," 2005, doi: 10.2172/885940.

[4] F. Sacchetti, W. JB Grouve, L. L. Warnet, dan I. F. Villegas, "Pengaruh laju pendinginan terhadap ketangguhan patah interlaminar dari laminasi Karbon/PPS searah," Rekayasa Mekanika Patah, 2018, doi: 10.1016 / j.engfracmech.2018.02.022.