Termoplastisk automatiserad fiberplacering (TAFP): Bestämning av kristallinitetsgraden baserat på position i processkedjan

Flygindustrin är under ständig utveckling. Användningen av kontinuerliga fiberförstärkta plaster med termoplastiska matrissystem kräver utveckling av lämpliga tillverkningstekniker för denna materialkombination. En lovande process i detta sammanhang är Automated Fiber Placement (AFP), en högautomatiserad placeringsprocess för tillverkning av kontinuerliga fiberarmerade kompositer med hjälp av ett läggningshuvud. Detta läggningshuvud kan monteras antingen på ett gantrysystem eller på en robot (figur 1).

Anläggning för automatiserad fiberplacering (AFP) med en portalrobot som placerar kontinuerliga fibrer på en krökt yta, vilket visar avancerad komposittillverkning. — Figur 1: Anläggningskoncept: Automatiserad bandläggning (ATL)/Automatiserad fiberplacering (AFP) (a) ATL-anläggning med portal [1]; (b) robotbaserad AFP-anläggning [2]

Tack vare systemets tillgängliga frihetsgrader är det möjligt att - i motsats till lindning av filament - lägga upp på konkava ytor och följa icke-geodetiska fiberbanor. I båda fallen kan materialet antingen transporteras på huvudet eller lagras i ett separat, stationärt hölje (creel). I AFP-processen kan prepregs med både tvärbindande och termoplastiska matriser bearbetas.

Schematisk bild av TAFP-processkedjorna, som illustrerar stegen in situ-läggning, vakuumpåsättning, autoklavkonsolidering och termoformning. — Figur 2: Processkedjor på TAFP-basis (a) TAFP-konsolidering på plats: uppläggning på plats, avformning; (b) TAFP-uppläggning i slutlig kontur med konsolidering nedströms: uppläggning, vakuumpåsättning, konsolidering i autoklav, avbarkning; (c) Processkedjetransformation av TAFP-förformar: uppläggning, fastspänning, förvärmning, termoformning, avformning

Olika processkedjor för tillverkning av strukturella komponenter

För tillverkning av strukturella komponenter baserade på termoplastiska enkelriktade band (UD-band) tas olika processkedjor i beaktande vid automatiserad fiberplacering. Vid in-situ TAFP är målet att uppnå full konsolidering av strukturen under placeringen. Den komplexa processtyrningen för läggningsprocessen begränsar kraftigt den möjliga geometrin för målkomponenterna, vilket är anledningen till att TAFP-processen hittills främst har använts för enkla komponenter som tankar, rör eller helt enkelt böjda paneler. Mer komplexa geometrier kan istället åstadkommas genom deponering i nätform med efterföljande konsolidering i autoklav eller värmepress. Alternativt kan TAFP-processen också användas för att deponera platta förformar, som därefter formas till komponentens slutliga form i den pressbaserade termoformningsprocessen och därmed konsolideras. Fig. 2 visar en schematisk bild av de beskrivna processkedjorna.

Varför graden av kristallinitet är avgörande

Som matris i termoplastiska kompositer används i första hand semikristallina termoplaster. En central egenskap hos dessa polymerer är graden av Kristallinitet / Grad av kristallinitetMed kristallinitet avses graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är arrangemanget av atomer eller molekyler konsekvent och repetitivt. Många material, t.ex. glaskeramik och vissa polymerer, kan framställas på ett sådant sätt att en blandning av kristallina och amorfa områden uppstår.kristallinitet, eftersom den resulterande polymerkedjan och kristallstrukturen har en avgörande effekt på plastkompositens mekaniska egenskaper. Eftersom matrisen smälts helt och hållet och återsolidifieras i processteget för konsolidering eller formning undersöktes detta processtegs inverkan på komponentens kristallinitetsgrad.

Automatiserad fiberplaceringsanläggning Coriolis C1 har en avancerad robotarm för exakt komposittillverkning. — Bild 3: Automatiserad fiberplaceringsanläggning Coriolis C1 från Fraunhofer IGCV

Hur tillverkades provkroppen?

För detta ändamål deponerades provkroppar av PPS/CF UD-bandmaterial från tillverkaren Celanese i Dallas, TX, USA, på Coriolis C1 AFP-maskin (figur 3). Processkedjorna TAFP-deponering i slutlig kontur med nedströms konsolidering och omvandling av TAFP-förform provades på en värmepress från tillverkaren Langzauner (Lambrechten, Österrike); dessutom konsoliderades provkropparna i en autoklav. I tabell 1 sammanfattas de processparametrar som är relevanta för KristalliseringKristallisation är den fysiska processen av härdning under bildandet och tillväxten av kristaller. Under denna process frigörs kristallisationsvärme.kristallisering, dvs. tryck och kylhastighet i temperaturområdet för kristallinitetsbandet.

Tabell. 1: Parametrar för konsolideringsprocessen (utdrag)

Process	Tryck	Nedkylningshastighet
Konsolidering: värmepress	20 bar	-10 K/min
Konsolidering: autoklav	5 bar	-10 K/min
Omvandling	20 bar	Upp till -2950 K/min

Hur bestämdes kristalliniteten?

För bestämning av PPS-matrisens Kristallinitet / Grad av kristallinitetMed kristallinitet avses graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är arrangemanget av atomer eller molekyler konsekvent och repetitivt. Många material, t.ex. glaskeramik och vissa polymerer, kan framställas på ett sådant sätt att en blandning av kristallina och amorfa områden uppstår.kristallinitet som en funktion av bearbetningen användes metoden Differential Scanning Calorimetry. En DSC 214 Polyma från NETZSCH (Selb, Tyskland) användes. Proverna upphettades från 20°C till 320°C med en uppvärmningshastighet på 10 K/min. För varje processkedja mättes fyra prover. Mätförhållandena sammanfattas i tabell 2.

Tabell. 2: Mätförhållanden

Provets vikt	15-28 mg
Atmosfär	_N2
Gasens flödeshastighet	60 ml/min
Temperaturprogram	20°C -> 320°C (10 K/min)

Fig. 4 visar ett exempel på mätkurvorna för proverna som konsoliderats i autoklaven

NETZSCH Rosand RH07 är en högpresterande laboratoriemixer som är idealisk för exakt materialbearbetning. — Figur 4: DSC-mätkurvor för provserien från autoklaven För enklare tolkning, förskjuten på abscissen

Beräkning av graden av kristallinitet

Graden av Kristallinitet / Grad av kristallinitetMed kristallinitet avses graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är arrangemanget av atomer eller molekyler konsekvent och repetitivt. Många material, t.ex. glaskeramik och vissa polymerer, kan framställas på ett sådant sätt att en blandning av kristallina och amorfa områden uppstår.kristallinitet_Xc bestämdes enligt [3]:

Ekvation som beskriver beräkningen av graden av kristallinitet i termoplastiska kompositer. Relevant för forskning om automatiserad fiberplacering.

Enligt [4] användes värdet 150,4 J/g för fusionsentalpin för 100 % kristallin PPS.

Genom att utvärdera den första smälttoppen som visas i figur 4 erhålls en fusionsentalpi på 18,0 J/g för prov 1. Den jämna baslinjen före toppen innebär att ingen kall KristalliseringKristallisation är den fysiska processen av härdning under bildandet och tillväxten av kristaller. Under denna process frigörs kristallisationsvärme.kristallisering sker. Med hjälp av våtkemisk analys bestämdes en fibermassfraktion på 61,32% för provet. Graden av Kristallinitet / Grad av kristallinitetMed kristallinitet avses graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är arrangemanget av atomer eller molekyler konsekvent och repetitivt. Många material, t.ex. glaskeramik och vissa polymerer, kan framställas på ett sådant sätt att en blandning av kristallina och amorfa områden uppstår.kristallinitet beräknas enligt formel (1):

Ekvation för beräkning av kristallinitetsgraden (Xc) i termoplastiska kompositer; demonstration av en avancerad tillverkningsprocess.

Tabell 3 visar de kristallinitetsgrader som bestämts på detta sätt i förhållande till deras positioner i processkedjan. Var och en av dessa återspeglar medelvärdet av 4 individuella mätningar och deras standardavvikelse.

Tabell 3: DSC-utvärdering

Provstycke	Kristallinitet / Grad av kristallinitetMed kristallinitet avses graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är arrangemanget av atomer eller molekyler konsekvent och repetitivt. Många material, t.ex. glaskeramik och vissa polymerer, kan framställas på ett sådant sätt att en blandning av kristallina och amorfa områden uppstår.Grad av kristallinitet [%]
Konsolidering: värmepress	29.81 ± 2.02
Konsolidering: autoklav	29.11 ± 1.12
Omvandling	26.49 ± 1.65

Minskad kristallinitet hos komponenten från formningsprocesskedjan

Kristallinitetsgraden hos de prover som konsoliderats i värmepressen och i autoklaven skiljer sig därför inte nämnvärt från varandra. Det högre konsolideringstrycket i värmepressen har således ingen effekt på kristalliniteten.

Däremot är proverna som tillverkas i formningsprocesskedjan mindre kristallina än de andra proverna. Detta kan i första hand förklaras av de höga uppvärmningshastigheterna i processen. På grund av den höga konduktiva värmeförlusten när smälta prover kommer i kontakt med pressverktyget, som är härdat vid 150°C, uppmättes kylhastigheter > 1000 K/s i området för kristallinitetsbandet med hjälp av termoelement som sattes in i laminatet. På grund av polymerens korta uppehållstid i temperaturområdet för kristallisation hinner kedjorna inte packa sig tillräckligt tätt, vilket leder till minskad Kristallinitet / Grad av kristallinitetMed kristallinitet avses graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är arrangemanget av atomer eller molekyler konsekvent och repetitivt. Många material, t.ex. glaskeramik och vissa polymerer, kan framställas på ett sådant sätt att en blandning av kristallina och amorfa områden uppstår.kristallinitet hos komponenten.

Om skillnader skulle upptäckas i framtida mekaniska undersökningar - t.ex. med avseende på matrisdominerade karakteristiska värden mellan processkedjorna - kan kristalliniteten vara orsaken till dem. Om man ändå väljer formning som processkedja - t.ex. för att uppnå höga produktionshastigheter genom korta cykeltider - kan det i vissa fall vara nödvändigt att optimera processtyrningen för att öka graden av Kristallinitet / Grad av kristallinitetMed kristallinitet avses graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är arrangemanget av atomer eller molekyler konsekvent och repetitivt. Många material, t.ex. glaskeramik och vissa polymerer, kan framställas på ett sådant sätt att en blandning av kristallina och amorfa områden uppstår.kristallinitet.

Om Fraunhofer IGCV

Fraunhofer IGCV står för tillämpad forskning med fokus på teknik, produktion och multimateriallösningar. Vi möjliggör innovationer inom tillverkningsprocesser och materialvetenskap, maskiner och processkedjor samt fabriks- och företagsnätverk. Vårt unika erbjudande ligger i tvärvetenskapliga lösningar inom gjutning, komposit- och bearbetningsteknik.

Referenser

[1] Oldani T., "Increasing productivity in fiber placement processes", i sae aerospace manufacturing and automated fastening conference & exhibition, North Charleston, South Carolina, USA, 2008.

[2] Coriolis Composites, Coriolis C1 REFERENSEN FÖR AUTOMATISERAD FIBERPLACERING. [Online]. Tillgänglig: https://www.coriolis-composites.com/fiber-placement-machines/coriolis-c1/ (hämtad: 29 juli 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 och 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.