Povestea de succes a clientului
Optimizarea întăririi compozitelor cu ajutorul calorimetriei diferențiale de scanare și al software-ului Kinetics Neo
Un raport de teren privind modul de optimizare a procesului de fabricație a unei jante de carbon pentru biciclete
Blacks S.r.l., o companie italiană cu sediul în Faenza (Valea Carbonului din regiunea Emilia Romagna, Italia Centrală), este specializată în proiectarea, prototiparea și fabricarea de componente din materiale compozite avansate, cum ar fi fibrele de carbon, sticlă, aramidă și țesăturile hibride, prin aplicare manuală și vulcanizare în autoclavă. În cele ce urmează, vom rezuma o poveste de succes legată de optimizarea unui ciclu de întărire în autoclavă prin intermediul datelor DSC și al analizei cinetice. Acest proiect a reunit expertiza atât a departamentului de cercetare și dezvoltare Blacks, cât și a serviciului de asistență pentru aplicații NETZSCH.
“Când am testat gradul de întărire prin DSC în același mod în care am făcut-o pentru cele două jante de bicicletă anterioare, am realizat că ciclul de întărire optimizat din punct de vedere cinetic nu numai că ne-a permis să reducem aproape la jumătate timpul de producție, dar și să îmbunătățim în continuare gradul de întărire. Un final cu adevărat fericit.”
Dr. Chiara Leonardi, manager R&D la Blacks, explică:
"Colaborarea noastră cu NETZSCH Analyzing & Testing a început atunci când am decis să ne extindem controlul proceselor prin înființarea unui laborator echipat cu un calorimetru diferențial cu scanare(DSC) și un analizor termogravimetric(TGA) de la NETZSCH, care ne permit să controlăm atât produsele preimpregnate, cât și cele întărite.
Am ales NETZSCH datorită experienței vaste și concentrării dedicate industriei compozitelor. Complexitatea materialelor compozite necesită cunoștințe specializate și soluții personalizate, iar NETZSCH și-a demonstrat în mod constant expertiza în acest sector.
Dincolo de calitatea instrumentelor lor, ne remarcăm prin asistența excepțională acordată clienților de către NETZSCH: călătoria de la selectarea instrumentului până la asistența postcumpărare se desfășoară fără probleme, datorită echipei lor de asistență pentru clienți receptivă și bine informată. Asistența promptă, îndrumarea pentru depanare și suportul continuu s-au dovedit a fi neprețuite, consolidând parteneriatul dintre Blacks și NETZSCH."
Provocare acceptată:
Producția unei jante de carbon pentru biciclete
"Nevoia noastră zilnică este să efectuăm măsurători de rutină privind materiile prime primite, îmbătrânirea preimpregnatelor, tranzițiile sticlei, conținutul de fibre și gradul de întărire al produselor noastre finale, doar pentru a menționa câteva exemple", spune Dr. Leonardi.
Deoarece li s-a cerut să producă o jantă de bicicletă din carbon, Blacks a decis să facă față unei noi provocări care a implicat utilizarea analizei termice și sprijinul specialiștilor în aplicații de la NETZSCH.
Gradul de întărire vizat pentru această jantă de bicicletă a fost stabilit la 95%, pentru a asigura atât nivelurile de performanță mecanică, cât și termice solicitate de client. Această valoare a fost definită după caracterizarea inițială a preimpregnatului selectat, realizată de laboratorul de analiză termică al Blacks.
Când a început faza de producție, era clar pentru Blacks că trebuia să găsească un ciclu termic potrivit pentru atingerea a două obiective principale: atingerea obiectivului de întărire prestabilit și scurtarea timpilor de proces.
"Abordarea noastră este să aplicăm, în primul rând, ciclul de întărire sugerat în fișa tehnică a preimpregnatului. Și acesta a fost cazul pentru consolidarea în autoclavă a primului prototip de jantă, "SN1". Cu toate acestea, această primă producție a arătat necesitatea unei post-curăciri pentru a obține nivelul de reticulare dorit", explică Dr. Leonardi.
Pentru a califica gradul de întărire atins, s-au efectuat măsurători DSC cu ajutorul DSC 214 Polyma atât pe rășina nevindecată (prepreg) pentru a evalua entalpia totală de întărire a acestui material (Htot), cât și - în aceleași condiții - pe o probă SN1 pentru a măsura întărirea reziduală (Hres).
Figura 1 prezintă curbele DSC și semnalele de întărire exoterme evaluate pentru cele două măsurători.
Gradul de întărire (α) a fost calculat cu următoarea ecuație:
Pentru SN1, valoarea α a rezultat a fi de 94,5%, deci mai mică decât cea vizată.
Cum să atingeți gradul de întărire vizat?
În absența oricăror alte informații utile, metoda classic analizează fie creșterea temperaturii maxime, fie prelungirea timpului segmentului izoterm.
Cu toate acestea, această abordare prin încercări și erori necesită mult timp, precum și perioade lungi de oprire a autoclavelor și un consum ridicat de materii prime. În plus, ea nu este întotdeauna exploatabilă: De exemplu, alegerea temperaturii maxime este limitată de temperatura de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere a rășinii în sine.
Aici a intrat în joc know-how-ul NETZSCH.
"Am decis să realizăm un al doilea prototip de jantă prin aplicarea unui ciclu de întărire similar cu primul, dar cu o stază prelungită. Deși acest ciclu a atins gradul de întărire vizat, durata totală a ciclului rezultat de 8 ore a fost prea mare pentru capacitățile noastre de producție", continuă Dr. Leonardi. "Prin urmare, am solicitat NETZSCH să ne ajute să găsim un profil termic nou și mai rapid. Am efectuat câteva noi măsurători DSC pe preimpregnat și am transmis datele către NETZSCH, care a făcut magie cu software-ul său Kinetics Neo."
Pentru a efectua studii cinetice, cel puțin trei rampe de încălzire diferite sau trei temperaturi izoterme diferite sunt în mod normal obligatorii pentru o măsurare completă a analizei termice.
În acest caz, Blacks a decis să aplice rampe dinamice la rate de 1, 2, 5 și 10 K/min. Termogramele evaluate rezultate sunt reprezentate în figura 2.
Efectuarea de studii cinetice și predicția comportamentului materialului
Pentru a prezice comportamentul de întărire pentru diferite scenarii de proces, datele DSC măsurate la cele patru rampe de încălzire diferite au fost încărcate în software-ul NETZSCH Kinetics Neo.
Figura 3 prezintă ajustarea conversiei ca rezultat al aplicării abordării fără model, aleasă dintre cele disponibile în software: Aceasta este o nouă tehnică matematică numită "optimizare numerică", concepută de NETZSCH pentru a sprijini utilizatorii fără experiență în simularea cinetică și în industrie în general, unde evaluările consumatoare de timp nu sunt adesea compatibile cu nevoile de producție.
În plus, pentru a evita supraîncălzirea și, prin urmare, deteriorarea materialelor, rata maximă de reacție a fost limitată în software, pentru a se asigura că valoarea sa nu o depășește niciodată pe cea măsurată pentru ciclul de întărire utilizat pentru producerea prototipului SN2.
Timpul total pentru ciclul de întărire nou conceput s-a dovedit a fi de 260 de minute; în comparație cu cele 480 de minute ale ciclului anterior, acest lucru părea foarte promițător pentru economisirea timpului în producție.
Dar cum rămâne cu gradul de întărire vizat?
Timp mai scurt, eficiență mai bună de întărire
Blacks s-a bazat pe ciclul de întărire recent optimizat și a decis să îl aplice pentru fabricarea unui al treilea prototip (SN3).
"Când am testat gradul de întărire prin DSC în același mod în care am făcut-o pentru cele două jante de bicicletă anterioare, ne-am dat seama că ciclul de întărire optimizat cinetic nu numai că ne-a permis să reducem aproape la jumătate timpul de producție, dar și să îmbunătățim în continuare gradul de întărire. Un adevărat final fericit", conchide Dr. Leonardi.
Într-adevăr, ciclul de fabricație în autoclavă a jantei de bicicletă din CFRP de către Blacks S.r.l. a fost redus cu 46% în timp față de ciclul anterior, care atinsese obiectivul de întărire dorit; în plus, a depășit chiar gradul de întărire vizat (cu un rezultat de 96,1%) și a evitat supraîncălzirea în același timp.
Tabelul 1 prezintă dintr-o privire comparația tuturor datelor relevante pentru producția fiecărei jante de bicicletă.
Acest studiu de caz demonstrează în mod clar modul în care ciclurile de producție pot fi optimizate printr-o abordare combinată DSC-Cinetică. În comparație cu producția prin încercări și erori, caracterizarea și simularea materialelor sunt mult mai eficiente și necesită doar câteva miligrame de rășină, aducând astfel mari economii în industria compozitelor atât în ceea ce privește materiile prime, cât și timpul de producție.
Recunoștințe
Colaborarea dintre Blacks S.r.l. și NETZSCH a fost activă de ani de zile și s-a extins și în alte domenii. Dr. Chiara Leonardi a fost adesea invitata noastră la conferințe, seminarii și webinarii.
În plus, Blacks este în continuă creștere. În prezent, se află în proces de dublare a fabricilor. Noua unitate de producție, situată tot în Faenza, va permite o creștere semnificativă a capacității operaționale și de cercetare și dezvoltare a Blacks, găzduind până la 150 de lucrători, autoclave, echipamente și instrumente moderne.
Această creștere a reafirmat angajamentul lor continuu pentru căutarea excelenței și a inovării.
Se pare într-adevăr că Blacks împărtășește viziunea noastră de excelență dovedită!
Îl felicităm pe clientul nostru pentru perspectivele sale viitoare și îi mulțumim încă o dată Dr. Chiara Leonardi pentru sprijin, așteptând cu nerăbdare să facem față noilor provocări împreună.
