30.08.2021 by Dr. Natalie Rudolph, Thomas Zenker
Termoplastik Otomatik Elyaf Yerleştirme (TAFP): Proses Zincirindeki Pozisyona Bağlı Olarak Kristalite Derecesinin Belirlenmesi
Havacılık endüstrisinde termoplastik matris sistemleri ile sürekli elyaf takviyeli plastiklerin kullanılması, bu malzeme kombinasyonu için uygun üretim teknolojilerinin geliştirilmesini gerektirmektedir. Bu bağlamda umut vaat eden süreçlerden biri Otomatik Elyaf Yerleştirme (AFP). Yapısal bileşenlerin üretimine yönelik proses zincirleri ve Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesinin neden belirleyici olduğu hakkında daha fazla bilgi edinin.
Havacılık endüstrisi sürekli gelişmektedir. Termoplastik matris sistemleri ile sürekli elyaf takviyeli plastiklerin kullanımı, bu malzeme kombinasyonu için uygun üretim teknolojilerinin geliştirilmesini gerektirmektedir. Bu bağlamda umut verici bir süreç, bir yerleştirme kafası aracılığıyla sürekli elyaf takviyeli kompozitlerin üretimi için oldukça otomatik bir yerleştirme işlemi olan Otomatik Elyaf Yerleştirme'dir (AFP). Bu yerleştirme kafası bir gantry sistemine ya da bir robota monte edilebilir (Şekil 1).
Sistemin mevcut serbestlik dereceleri sayesinde - filament sarmanın aksine - içbükey yüzeylere yerleştirmek ve jeodezik olmayan elyaf yollarını takip etmek mümkündür. Her iki durumda da malzeme ya kafa üzerinde taşınabilir ya da ayrı, sabit bir muhafaza (cağlık) içinde depolanabilir. AFP sürecinde, hem çapraz bağlama hem de termoplastik matrisli prepregler işlenebilir.
Yapısal Bileşenlerin Üretimi için Farklı Süreç Zincirleri
Termoplastik tek yönlü bantlara (UD bantlar) dayalı yapısal bileşenlerin üretimi için, Otomatik Elyaf Yerleştirmede farklı işlem zincirleri dikkate alınır. In-situ TAFP'de amaç, yerleştirme sırasında yapının tam konsolidasyonunu sağlamaktır. Döşeme işlemi için karmaşık süreç kontrolü, hedef bileşenlerin uygulanabilir geometrisini ciddi şekilde sınırlar, bu nedenle in-situ TAFP süreci şimdiye kadar öncelikle tanklar, borular veya basit kavisli paneller gibi basit bileşenler için kullanılmıştır. Bunun yerine daha karmaşık geometriler, otoklavda veya ısıtma presinde aşağı akış konsolidasyonu ile net şekilli biriktirme ile gerçekleştirilebilir. Alternatif olarak, TAFP prosesi, daha sonra pres bazlı termoform prosesinde bileşenin nihai şekline dönüştürülen ve böylece konsolide edilen düz preformların biriktirilmesi için de kullanılabilir. Şekil 2'de tarif edilen işlem zincirlerinin bir şeması gösterilmektedir.
Kristallik derecesi neden belirleyicidir?
Termoplastik kompozitlerin matrisi olarak öncelikle yarı kristal termoplastikler kullanılır. Bu polimerlerin merkezi bir özelliği Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesidir, çünkü ortaya çıkan polimer zinciri ve kristal yapısı plastik kompozitin mekanik özellikleri üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. Matris, konsolidasyon veya şekillendirme işlemi adımında tamamen eritilip yeniden katılaştırıldığından, bu işlem adımının bileşenin kristallik derecesi üzerindeki etkisi araştırılmıştır.
Test numunesi nasıl üretildi?
Bu amaçla, Dallas, TX, ABD'deki Celanese üreticisinden alınan PPS/CF UD bant malzemesinden yapılmış test numuneleri Coriolis C1 AFP makinesinde biriktirilmiştir (Şekil 3). TAFP preformununaşağı akış konsolidasyonu ve dönüşümüile son konturdaTAFPbiriktirme işlem zincirleri, üretici Langzauner (Lambrechten, Avusturya) tarafından bir ısıtma presinde örneklendi; ayrıca numuneler bir otoklavda konsolide edildi. Tablo 1, KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme ile ilgili proses parametrelerini, yani Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik bandının sıcaklık aralığındaki basınç ve soğutma hızını özetlemektedir.
Tablo. 1: Konsolidasyon sürecinin parametreleri (alıntı)
| Süreç | Basınç | Soğutma oranı |
| Konsolidasyon: ısıtma presi | 20 bar | -10 K/dak |
| Konsolidasyon: otoklav | 5 bar | -10 K/dak |
| Dönüşüm | 20 bar | 2950 K/dk'ya kadar |
Kristalite nasıl belirlendi?
İşlemenin bir fonksiyonu olarak PPS matrisinin kristalliğini belirlemek için Diferansiyel Taramalı Kalorimetri yöntemi kullanılmıştır. Bir DSC 214 Polyma by NETZSCH (Selb, Almanya) kullanılmıştır. Numuneler 10 K/dak ısıtma hızında 20°C'den 320°C'ye kadar ısıtılmıştır. Her bir işlem zinciri için dört numune ölçülmüştür. Ölçüm koşulları Tablo 2'de özetlenmiştir.
Tablo. 2: Ölçüm koşulları
| Örnek ağırlık | 15-28 mg |
| Atmosfer | N2 |
| Gaz akış hızı | 60 ml/dak |
| Sıcaklık programı | 20°C -> 320°C (10 K/dak) |
Şekil 4, otoklavda konsolide edilen örneklerin ölçüm eğrilerini örnek olarak göstermektedir
Kristallik derecesinin hesaplanması
Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir.Kristallik derecesi Xc [3]'e göre belirlenmiştir:
4]'e göre, %100 kristal PPS'nin füzyon entalpisi için 150,4 J/g değeri kullanılmıştır.
Şekil 4'te gösterilen ilk Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime piki değerlendirildiğinde, numune 1 için 18,0 J/g'lık bir füzyon entalpisi elde edilir. Zirveden önceki düzgün taban çizgisi, soğuk kristalleşmenin gerçekleşmediği anlamına gelir. Islak kimyasal analiz yoluyla, numune için %61,32'lik bir elyaf kütle oranı belirlenmiştir. Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir.Kristallik derecesi formül (1)'e göre hesaplanmıştır:
Tablo 3, bu şekilde belirlenen Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecelerini proses zincirindeki konumlarıyla ilişkili olarak göstermektedir. Bunların her biri 4 ayrı ölçümün ortalama değerini ve standart sapmalarını yansıtmaktadır.
Tablo 3: DSC Değerlendirmesi
| Örnek | Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir.Kristallik derecesi [%] |
| Konsolidasyon: ısıtma presi | 29.81 ± 2.02 |
| Konsolidasyon: otoklav | 29.11 ± 1.12 |
| Dönüşüm | 26.49 ± 1.65 |
Şekillendirme Süreci Zincirinden Gelen Bileşenin Kristalliğinin Azalması
Bu nedenle, ısıtma presinde ve otoklavda konsolide edilen numunelerin Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik dereceleri birbirinden önemli ölçüde farklı değildir. Dolayısıyla ısıtma presinin daha yüksek konsolidasyon basıncının Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik üzerinde bir etkisi yoktur.
Buna karşılık, şekillendirme işlemi zincirinde üretilen numuneler diğer numunelere göre daha az kristaldir. Bu durum öncelikle prosesin yüksek ısıtma hızları ile açıklanabilir. Erimiş numuneler 150°C'de temperlenen presleme aletiyle temas ettiğinde yüksek iletken ısı kaybı nedeniyle, laminat içine yerleştirilen termokupllar aracılığıyla Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik bandı bölgesinde 1000 K/s'den fazla soğutma hızları ölçülmüştür. Polimerin KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme sıcaklık aralığındaki kısa bekleme süresi nedeniyle, zincirler kendilerini sıkıca paketlemek için yeterli zamana sahip değildir ve bu da bileşenin kristalliğinin azalmasına neden olur.
Bu nedenle, gelecekteki mekanik incelemelerde farklılıklar bulunursa - örneğin, işlem zincirleri arasında matris ağırlıklı karakteristik değerlerle ilgili olarak - o zaman Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik bunların arkasındaki neden olabilir. Bununla birlikte, şekillendirme hala proses zinciri olarak selectkullanılacaksa - örneğin, kısa çevrim süreleri yoluyla yüksek üretim hızlarına ulaşmak için - o zaman Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesini artırmak için belirli durumlarda proses kontrolünün optimizasyonunun takip edilmesi gerekebilir.
Fraunhofer IGCV Hakkında
Fraunhofer IGCV, mühendislik, üretim ve çok malzemeli çözümlere odaklanan uygulamalı araştırmaarch anlamına gelir. Üretim süreçlerinde ve malzeme bilimlerinde, makinelerde ve süreç zincirlerinde ve fabrika ve şirket ağlarında yenilikler sağlıyoruz. Benzersiz satış noktası önerimiz, döküm, kompozit ve işleme teknolojisi alanlarından disiplinler arası çözümlerde yatmaktadır.
Referanslar
[1] Oldani T., "Elyaf yerleştirme işlemlerinde verimliliğin artırılması," in sae havacılık ve uzay üretimi ve otomatik bağlantı konferansı ve sergisi, North Charleston, Güney Carolina, ABD, 2008.
[2] Coriolis Composites, Coriolis C1 OTOMATİK ELYAF YERLEŞTİRMEDE REFERANS . [Çevrimiçi]. Mevcut: https://www.coriolis-composites.com/fiber-placement-machines/coriolis-c1/ (erişim: 29 Temmuz 2019).
[3] J. E. Spruiell, "Kristalliğin ölçümü ve gelişimi ile saf poli (fenilen sülfür) ve elyaf takviyeli kompozitlerinde özelliklerle ilişkisi üzerine bir inceleme," 2005, doi: 10.2172/885940.
[4] F. Sacchetti, W. J.B. Grouve, L. L. Warnet ve I. F. Villegas, "Soğuma hızının tek yönlü Karbon/PPS laminatların interlaminar kırılma tokluğu üzerindeki etkisi," Mühendislik Kırılma Mekaniği, 2018, doi: 10.1016/j.engfracmech.2018.02.022.