60 de ani de NETZSCH-Gerätebau: Cum să optimizați întărirea compozitelor

Kinetics Neo - O poveste de succes:

În cele ce urmează, rezumăm întreaga poveste împreună cu Dr. Chiara Leonardi, Manager R&D la Blacks.

"În urmă cu câțiva ani, am decis să ne extindem laboratorul achiziționând atât un DSC, cât și un TGA de la NETZSCH, pentru a controla atât preimpregnatele, cât și produsele întărite. Nevoia noastră zilnică este să efectuăm măsurători de rutină privind materiile prime primite, îmbătrânirea preimpregnatelor, Temperatura de tranziție a sticleiTranziția vitroasă este una dintre cele mai importante proprietăți ale materialelor amorfe și semicristaline, de exemplu, sticle anorganice, metale amorfe, polimeri, produse farmaceutice și ingrediente alimentare etc., și descrie regiunea de temperatură în care proprietățile mecanice ale materialelor trec de la duritate și fragilitate la moliciune, deformabilitate sau cauciuc. tranzițiile sticlei, conținutul de fibre și gradul de întărire al produselor noastre finale, doar pentru a menționa câteva exemple", spune Dr. Leonardi.

În 2018, Blacks s-a confruntat cu o nouă provocare: li s-a cerut să producă o jantă de bicicletă din carbon. Gradul de întărire vizat a fost stabilit la 95%, pentru a asigura nivelurile de performanță mecanică și termică 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, a fost 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", își amintește Dr. Leonardi.

Pentru a califica gradul de întărire atins, au fost efectuate 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:

Figura 1. Curbele DSC ale preimpregnatului (roșu) și SN1 (violet); viteza de încălzire: 20 K/min, atmosfera: azot

Pentru SN1, valoarea α a rezultat a fi de 94,5%, deci mai mică decât cea țintă.

Cum să se atingă gradul de întărire vizat?

În absența oricăror alte informații utile, metoda classic ia în considerare fie creșterea temperaturii maxime, fie prelungirea timpului segmentului izoterm.

Cu toate acestea, această abordare prin încercări și erori consumă mult timp; de asemenea, necesită perioade lungi de oprire a autoclavelor și are un consum ridicat de materii prime. În plus, aceasta 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 intervine know-how-ul NETZSCH.

"Am decis să producem 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, 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.

Figura 2. Curbele DSC ale preimpregnatului la 1, 2, 5 și 10 K/min; atmosfera: azot

Efectuarea de studii cinetice și prezicerea 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 - care la momentul respectiv tocmai fusese recent dezvoltat.

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 care necesită mult timp nu sunt adesea compatibile cu nevoile de producție.

Figura 3. Adaptarea conversiei pentru datele DSC la 1, 2, 5 și 10 K/min utilizând "optimizarea numerică", o abordare fără model.

În plus, pentru a evita supraîncălzirea și, prin urmare, deteriorarea materialului, 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 proiectat 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 noul ciclu de întărire optimizat și a decis să îl aplice pentru fabricarea unui al treilea prototip (SN3).

"Când am testat gradul de întărire prin DSC, la fel cum am făcut și pentru cele două jante de bicicletă anterioare, ne-am dat seama 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 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 final de 96,1%) și a evitat supraîncălzirea în același timp.

Figura 4 prezintă dintr-o privire comparația tuturor datelor relevante pentru producția fiecărei jante de bicicletă.

Acest studiu de caz a demonstrat 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.

Figura 4. Tabel recapitulativ: comparație între ciclul termic, durata ciclului, entalpia de măsurare și gradul de întărire pentru fiecare etapă a proiectului

Recunoștințe

Colaborarea dintre Blacks S.r.l. și NETZSCH s-a extins la alte domenii și este încă activă. Dr. Chiara Leonardi a fost adesea vorbitorul nostru invitat la conferințe, seminarii și webinarii.

Studiul de caz "Optimizarea polimerizării" a fost, de asemenea, prezentat la nivel mondial și publicat în revista Compositi (ediția din decembrie 2018: paginile 20-28). Aici, puteți citi articolul complet pentru o perspectivă mai profundă asupra acestui proiect.

În plus, Blacks este în continuă creștere: cea de-a cincea ediție a sondajului "Campionii creșterii" al Institutului german de calitate ITQF a recunoscut Blacks ca fiind printre cele 800 de companii care au condus redresarea economică din acest an, cu o rată medie anuală de creștere de peste 11,3% în perioada de trei ani cuprinsă între 2018 și 2021.

Această recunoaștere a reafirmat angajamentul lor continuu pentru căutarea excelenței și a inovării. Se pare într-adevăr că Blacks împărtășește viziunea noastră de excelență dovedită!

Ne felicităm clientul și îi mulțumim încă o dată Dr. Chiara Leonardi pentru sprijin, așteptând cu nerăbdare să facem față noilor provocări împreună.

______________________________________________________________________________________

^{Pentru mai multe informații despre cum să utilizați software-ul nostru Kinetics Neo pentru a modela procesul de întărire, vă rugăm să vizitați}^{secțiunea web dedicată}^.

^{Dacă sunteți interesat să vizionați webinarul înregistrat prezentat de Dr. Chiara Leonardi, vă rugăm să contactați direct sucursala noastră italiană prin e-mail:}^{info.niv@NETZSCH.com}