Plasarea automată a fibrelor termoplastice (TAFP): Determinarea gradului de cristalinitate pe baza poziției în lanțul de procesare

Industria aeronautică este în continuă evoluție. Utilizarea materialelor plastice ranforsate cu fibre continue cu sisteme de matrice termoplastică necesită dezvoltarea unor tehnologii de fabricație adecvate pentru această combinație de materiale. Un proces promițător în acest context este plasarea automată a fibrelor (Automated Fiber Placement - AFP), un proces de plasare extrem de automatizat pentru producția de materiale compozite ranforsate cu fibre continue prin intermediul unui cap de plasare. Acest cap de aplicare poate fi montat fie pe un sistem gantry, fie pe un robot (figura 1).

Automated Fiber Placement (AFP) instalație cu un robot gantry care plasează fibre continue pe o suprafață curbată, prezentând producția avansată de compozite. — Figura 1: Concepte de instalații: Automated Tape Laying (ATL)/Automated Fiber Placement (AFP) (a) instalație ATL tip gantry [1]; (b) instalație AFP robotizată [2]

Datorită gradelor de libertate disponibile ale sistemului, este posibil - spre deosebire de înfășurarea filamentului - să se așeze pe suprafețe concave și să urmeze trasee negeodezice ale fibrelor. În ambele cazuri, materialul poate fi transportat pe cap sau depozitat într-o incintă separată, staționară (creel). În procesul AFP, pot fi prelucrate preimpregnate atât cu matrice reticulante, cât și cu matrice termoplastice.

Schema lanțurilor de procesare TAFP, ilustrând etapele de depunere in situ, ambalare în vid, consolidare în autoclavă și termoformare. — Figura 2: Lanțurile de procese pe bază de TAFP (a) Consolidarea in situ a TAFP: așezarea in situ, demularea; (b) Depunerea TAFP în conturul final cu consolidare în aval: așezarea, împachetarea în vid, consolidarea în autoclavă, debavurarea; (c) Lanțul de procese de transformare a preformelor TAFP: așezarea, fixarea, preîncălzirea, termoformarea, demularea

Diferite lanțuri de procese pentru producția de componente structurale

Pentru producția de componente structurale pe bază de benzi unidirecționale termoplastice (benzi UD), sunt luate în considerare diferite lanțuri de procese în plasarea automată a fibrelor. În TAFP in situ, obiectivul este de a obține consolidarea completă a structurii în timpul așezării. Controlul complex al procesului de așezare limitează foarte mult geometria fezabilă a componentelor țintă, motiv pentru care procesul TAFP in situ a fost utilizat până în prezent în principal pentru componente simple, cum ar fi rezervoare, conducte sau panouri pur și simplu curbate. În schimb, geometrii mai complexe pot fi realizate prin depunere în formă de plasă cu consolidare în aval în autoclavă sau presă de încălzire. În mod alternativ, procesul TAFP poate fi utilizat și pentru depunerea de preforme plate, care sunt ulterior transformate în forma finală a componentei în procesul de termoformare pe bază de presă și consolidate astfel. Fig. 2 prezintă o schemă a lanțurilor de procese descrise.

De ce este decisiv gradul de cristalinitate

Termoplasticele semicristaline sunt utilizate în principal ca matrice a compozitelor termoplastice. O proprietate centrală a acestor polimeri este gradul de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate, deoarece structura cristalină și a lanțului polimeric rezultat are un efect decisiv asupra proprietăților mecanice ale compozitului plastic. Deoarece matricea este complet topită și resolidificată în etapa procesului de consolidare sau de formare, a fost investigată influența acestei etape a procesului asupra gradului de cristalinitate a componentei.

Instalația automatizată de plasare a fibrelor Coriolis C1 dispune de un braț robotizat avansat pentru fabricarea precisă a compozitelor. — Figura 3: Instalație automatizată de plasare a fibrelor Coriolis C1 de la Fraunhofer IGCV

Cum a fost produs specimenul de testare?

În acest scop, au fost depuse pe mașina Coriolis C1 AFP (figura 3) epruvete din material PPS/CF UD tape de la producătorul Celanese din Dallas, TX, SUA. Lanțurile procesului de depunere a TAFP în conturul final cu consolidarea și transformarea înavala preformei TAFP au fost eșantionate pe o presă de încălzire de la producătorul Langzauner (Lambrechten, Austria); în plus, epruvetele au fost consolidate într-un autoclav. Tabelul 1 rezumă parametrii de proces relevanți pentru CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare, și anume presiunea și rata de răcire în intervalul de temperatură al benzii de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate.

Tabelul. 1: Parametrii procesului de consolidare (extras)

Proces	Presiune	Rata de răcire
Consolidare: presă de încălzire	20 bar	-10 K/min
Consolidare: autoclavă	5 bar	-10 K/min
Transformare	20 bar	Până la -2950 K/min

Cum a fost determinată cristalinitatea?

Pentru determinarea cristalinității matricei de PPS în funcție de prelucrare, s-a utilizat metoda Calorimetriei diferențiale de scanare. A fost utilizat un DSC 214 Polyma de NETZSCH (Selb, Germania). Probele au fost încălzite de la 20°C la 320°C la o rată de încălzire de 10 K/min. Pentru fiecare lanț de proces, au fost măsurate patru probe. Condițiile de măsurare sunt rezumate în tabelul 2.

Tabelul. 2: Condiții de măsurare

Greutatea probei	15-28 mg
Atmosferă	_N2
Debit de gaz	60 ml/min
Program de temperatură	20°C -> 320°C (10 K/min)

Fig. 4 prezintă exemple de curbe de măsurare ale probelor consolidate în autoclavă

NETZSCH Rosand RH07 este un mixer de laborator cu forfecare de înaltă performanță, ideal pentru prelucrarea precisă a materialelor. — Figura 4: Curbele de măsurare DSC ale seriei de probe din autoclavă Pentru o interpretare mai simplă, deplasarea pe abscisă

Calcularea gradului de cristalinitate

Gradul de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate_Xc a fost determinat în conformitate cu [3]:

Ecuație care detaliază calculul gradului de cristalinitate în compozitele termoplastice. Relevant pentru cercetarea privind plasarea automată a fibrelor.

Conform [4], valoarea de 150,4 J/g a fost utilizată pentru entalpia de fuziune a PPS 100% cristalin.

Prin evaluarea primului vârf de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire prezentat în figura 4, se obține o entalpie de fuziune de 18,0 J/g pentru proba 1. Linia de bază netedă înainte de vârf înseamnă că nu are loc nicio CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare la rece. Prin intermediul analizei chimice umede, s-a determinat o fracție masică de fibre de 61,32% pentru eșantion. Gradul de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate este calculat conform formulei (1):

Ecuație pentru calcularea gradului de cristalinitate (Xc) în compozitele termoplastice; demonstrarea unui proces de fabricație avansat.

Tabelul 3 prezintă gradele de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate determinate în acest mod în funcție de poziția lor în cadrul lanțului de procesare. Fiecare dintre acestea reflectă valoarea medie a 4 măsurători individuale și abaterea lor standard.

Tabelul 3: Evaluarea DSC

Specimen	Grad de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate [%]
Consolidare: presă de încălzire	29.81 ± 2.02
Consolidare: autoclavă	29.11 ± 1.12
Transformare	26.49 ± 1.65

Cristalinitatea redusă a componentei din lanțul procesului de formare

Prin urmare, gradele de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate ale probelor consolidate în presa de încălzire și în autoclavă nu diferă semnificativ între ele. Presiunea de consolidare mai mare a presei de încălzire nu are astfel niciun efect asupra cristalinității.

În schimb, probele fabricate în lanțul procesului de formare sunt mai puțin cristaline decât celelalte probe. Acest lucru poate fi explicat în primul rând prin ratele ridicate de încălzire ale procesului. Datorită pierderilor mari de căldură prin conducție atunci când probele topite intră în contact cu instrumentul de presare, care este temperat la 150 °C, s-au măsurat viteze de răcire > 1000 K/s în regiunea benzii de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate cu ajutorul unor termocupluri introduse în laminat. Din cauza timpului scurt de staționare a polimerului în intervalul de temperatură de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare, lanțurile nu au suficient timp să se împacheteze strâns, ceea ce duce la o cristalinitate redusă a componentei.

Prin urmare, în cazul în care se constată diferențe în viitoarele investigații mecanice - de exemplu, în ceea ce privește valorile caracteristice dominate de matrice între lanțurile de procesare - atunci cristalinitatea ar putea fi motivul din spatele acestora. Cu toate acestea, dacă urmează să se aleagă formarea ca lanț de procesare - de exemplu, pentru a obține rate ridicate de producție prin timpi de ciclu scurți - atunci optimizarea controlului procesului poate fi necesară în anumite cazuri pentru a crește gradul de cristalinitate.

Despre Fraunhofer IGCV

Fraunhofer IGCV reprezintă cercetarea aplicată cu accent pe inginerie, producție și soluții multi-materiale. Facem posibile inovații în procesele de producție și știința materialelor, în mașini și lanțuri de procese, precum și în rețele de fabrici și întreprinderi. Punctul nostru unic de vânzare constă în soluții interdisciplinare din domeniile turnării, compozitelor și tehnologiei de prelucrare.

Referințe

[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]. Disponibil: https://www.coriolis-composites.com/fiber-placement-machines/coriolis-c1/ (accesat: 29 iul. 2019).

[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 și 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.