História de sucesso do cliente
Otimização da cura de compósitos por meio da calorimetria exploratória diferencial e do software Kinetics Neo
Um relatório de campo sobre como otimizar o processo de fabricação de um aro de bicicleta de carbono
ABlacks S.r.l., uma empresa italiana com sede em Faenza (Vale do Carbono da Região Emilia Romagna, Itália Central), é especializada no projeto, no protótipo e na fabricação de componentes avançados de materiais compostos, como carbono, vidro, fibras de aramida e tecidos híbridos, por meio de lay-up manual e Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura em autoclave. A seguir, resumimos uma história de sucesso relacionada à otimização de um ciclo de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura em autoclave por meio de dados de DSC e análise cinética. Esse projeto reuniu a experiência da Blacks R&D e do suporte a aplicativos NETZSCH.
„Quando testamos o grau de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura por DSC da mesma forma que fizemos com os dois aros de bicicleta anteriores, percebemos que o ciclo de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura otimizado pela cinética não só nos permitiu reduzir quase pela metade o tempo de produção, mas também melhorar ainda mais o grau de Cura (reações de reticulação)Traduzido literalmente, o termo "crosslinking" significa "rede cruzada". No contexto químico, ele é usado para reações em que as moléculas são unidas por meio da introdução de ligações covalentes e da formação de redes tridimensionais.cura. Um verdadeiro final feliz.“
A Dra. Chiara Leonardi, gerente de P&D da Blacks, explica:
"Nossa colaboração com a NETZSCH Analyzing & Testing começou quando decidimos expandir nosso controle de processo, montando um laboratório equipado com um Calorímetro Exploratório Diferencial(DSC) e um Analisador Termogravimétrico(TGA) da NETZSCH, que nos permitem controlar tanto os pré-impregnados quanto os produtos curados.
Escolhemos a NETZSCH devido à ampla experiência e ao foco dedicado ao setor de compósitos. As complexidades dos materiais compostos exigem conhecimento especializado e soluções personalizadas, e a NETZSCH tem demonstrado consistentemente sua experiência nesse setor.
Além da qualidade de seus instrumentos, destacamo-nos pelo excepcional atendimento ao cliente da NETZSCH: a jornada desde o instrumento selectaté o suporte pós-compra é perfeita, graças à sua equipe de atendimento ao cliente ágil e bem informada. A assistência oportuna, a orientação para a solução de problemas e o suporte contínuo têm se mostrado inestimáveis, reforçando a parceria entre a Blacks e a NETZSCH."
Desafio aceito:
Produção de um aro de carbono para bicicleta
"Nossa necessidade diária é realizar medições de rotina nas matérias-primas recebidas, no envelhecimento de pré-impregnados, nas transições de vidro, no conteúdo de fibra e no Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura de nossos produtos finais, só para mencionar alguns exemplos", diz o Dr. Leonardi.
Como foi solicitada a produzir um aro de bicicleta de carbono, a Blacks decidiu enfrentar um novo desafio que envolvia o uso de análise térmica e o suporte dos especialistas em aplicações do site NETZSCH.
O Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura desejado para esse aro de bicicleta foi definido em 95%, para garantir os níveis de desempenho mecânico e térmico solicitados pelo cliente. Esse valor foi definido após a caracterização inicial do pré-impregnado selected realizada pelo laboratório de análise térmica da Blacks.
Quando a fase de produção começou, ficou claro para a Blacks que eles precisavam encontrar um ciclo térmico adequado para atingir duas metas principais: atingir a meta de cura predefinida e reduzir os tempos de processo.
"Nossa abordagem é aplicar, em primeiro lugar, o ciclo de cura sugerido na folha de dados técnicos do pré-impregnado. E esse foi o caso da consolidação em autoclave do primeiro protótipo de aro, o 'SN1'. Entretanto, essa primeira produção mostrou a necessidade de pós-cura para atingir o nível de reticulação desejado", explica o Dr. Leonardi.
Para qualificar o Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura alcançado, foram realizadas medições de DSC usando o DSC 214 Polyma na resina não curada (pré-impregnado) para avaliar a entalpia de cura total desse material (Htot) e, sob as mesmas condições, em uma amostra SN1 para medir a cura residual (Hres).
A Figura 1 mostra as curvas DSC e os sinais de cura exotérmica avaliados para as duas medições.
O Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura (α) foi calculado com a seguinte equação:
Para o SN1, o valor α resultou em 94,5%, portanto, menor do que o valor almejado.
Como atingir o Grau de curaO grau de cura descreve a conversão obtida durante as reações de reticulação (cura). grau de cura desejado?
Na ausência de qualquer outra informação útil, o método classic considera a possibilidade de aumentar a temperatura máxima ou estender o tempo do segmento IsotérmicoOs testes com temperatura controlada e constante são chamados de isotérmicos.isotérmico.
Essa abordagem de tentativa e erro, no entanto, consome muito tempo; também exige longos períodos de inatividade da autoclave e alto consumo de matéria-prima. Além disso, ela nem sempre é explorável: Por exemplo, a escolha da temperatura máxima é limitada pela temperatura de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição da própria resina.
Foi aí que o know-how da NETZSCH entrou em ação.
"Decidimos produzir um segundo protótipo de aro aplicando um ciclo de cura semelhante ao primeiro, mas com uma estase prolongada. Embora esse ciclo tenha atingido o grau de cura desejado, o tempo total de ciclo resultante, de 8 horas, era muito longo para nossas capacidades de produção", continua o Dr. Leonardi. "Por isso, pedimos ao site NETZSCH que nos ajudasse a encontrar um perfil térmico novo e mais rápido. Realizamos algumas novas medições de DSC no pré-impregnado e passamos os dados para NETZSCH, que fez mágica com seu software Kinetics Neo."
Para realizar estudos cinéticos, normalmente são necessárias pelo menos três rampas de aquecimento diferentes ou três temperaturas isotérmicas diferentes para uma medição de análise térmica completa.
Nesse caso, a Blacks decidiu aplicar rampas dinâmicas a taxas de 1, 2, 5 e 10 K/min. Os termogramas avaliados resultantes são mostrados na Figura 2.
Realização de estudos cinéticos e previsão do comportamento do material
Para prever o comportamento da cura em diferentes cenários de processo, os dados de DSC medidos nas quatro diferentes rampas de aquecimento foram carregados no software NETZSCH Kinetics Neo.
A Figura 3 mostra o ajuste de conversão como resultado da aplicação da abordagem sem modelo, escolhida entre as disponíveis no software: Essa é uma nova técnica matemática denominada "Numerical Optimization" (Otimização numérica), desenvolvida pelo site NETZSCH para dar suporte a usuários sem experiência em simulação cinética e no setor em geral, onde avaliações demoradas muitas vezes não são compatíveis com as necessidades de produção.
Além disso, para evitar superaquecimento e, consequentemente, danos ao material, a taxa máxima de reação foi limitada no software, para garantir que seu valor nunca excedesse o valor medido para o ciclo de cura usado para produzir o protótipo SN2.
O tempo total para o ciclo de cura recém-projetado foi de 260 minutos; em comparação com os 480 minutos do ciclo anterior, isso parecia realmente promissor para a economia de tempo na produção.
Mas e quanto ao grau de cura desejado?
Tempo mais curto, melhor eficiência de cura
A Blacks confiou no ciclo de cura recentemente otimizado e decidiu aplicá-lo na fabricação de um terceiro protótipo (SN3).
"Quando testamos o grau de cura por DSC da mesma forma que fizemos com os dois aros de bicicleta anteriores, percebemos que o ciclo de cura otimizado pela cinética não só nos permitiu reduzir o tempo de produção quase pela metade, mas também melhorar ainda mais o grau de cura. Um verdadeiro final feliz", conclui o Dr. Leonardi.
De fato, o ciclo de fabricação em autoclave do aro de bicicleta de CFRP da Blacks S.r.l. foi reduzido em 46% do tempo em comparação com o ciclo anterior, que havia atingido a meta de cura desejada; além disso, ele até mesmo excedeu o grau de cura desejado (com um resultado de 96,1%) e evitou o superaquecimento ao mesmo tempo.
A Tabela 1 mostra a comparação de todos os dados relevantes para a produção de cada aro de bicicleta em um relance.
Esse estudo de caso demonstra claramente como os ciclos de produção podem ser otimizados com uma abordagem combinada de DSC e cinética. Em comparação com a fabricação por tentativa e erro, a caracterização e a simulação de materiais são muito mais eficientes e requerem apenas alguns miligramas de resina, o que proporciona uma grande economia de custos para o setor de compostos em termos de matérias-primas e tempo de produção.
Agradecimentos
A colaboração entre a Blacks S.r.l. e o site NETZSCH está ativa há anos e se expandiu para outras áreas. A Dra. Chiara Leonardi tem sido frequentemente nossa palestrante convidada em conferências, seminários e webinars.
Além disso, a Blacks está em constante crescimento e, atualmente, está em processo de duplicação de suas fábricas. A nova unidade de produção, também localizada em Faenza, permitirá um aumento significativo na capacidade operacional e de P&D da Blacks, abrigando até 150 funcionários, autoclaves modernas, equipamentos e ferramentas.
Esse crescimento reafirmou seu compromisso contínuo com a busca da excelência e da inovação.
Realmente parece que a Blacks compartilha nossa visão de Excelência Comprovada!
Parabenizamos nosso cliente por suas perspectivas futuras e, mais uma vez, agradecemos à Dra. Chiara Leonardi pelo apoio, enquanto esperamos enfrentar novos desafios juntos.
