Termoplastik Otomatik Elyaf Yerleştirme (TAFP): Proses Zincirindeki Konuma Bağlı Olarak Kristalite Derecesinin Belirlenmesi

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).

Şekil 1: Tesis Konseptleri: Otomatik Bant Döşeme (ATL)/Otomatik Fiber Yerleştirme (AFP) (a) gantry ATL tesisi [1]; (b) robot tabanlı AFP tesisi [2]

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, hemÇapraz geçiş noktasıFrekans taraması veya zaman/sıcaklık taraması gibi reolojik testlerde, çaprazlama noktası numunenin "geçiş" noktasını belirtmek için uygun bir referans noktasıdır. çapraz bağlama hem de termoplastik matrisli prepregler işlenebilir.

Şekil 2: TAFP bazında proses zincirleri (a) TAFP yerinde konsolidasyon: yerinde yerleştirme, kalıptan çıkarma; (b) TAFP'nin nihai konturda biriktirilmesi ve aşağı akış konsolidasyonu: yerleştirme, vakum torbalama, otoklavda konsolidasyon, debagging; (c) TAFP preformlarının proses zinciri dönüşümü: yerleştirme, sıkıştırma, ön ısıtma, ısıl şekillendirme, kalıptan çıkarma

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 özelliğiKristallik / 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.

Şekil 3: Fraunhofer IGCV'nin Otomatik Fiber Yerleştirme tesisi Coriolis C1

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, yaniKristallik / 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

Şekil 4: Otoklav numune serisinin DSC ölçüm eğrileri Daha basit yorumlama için apsis üzerinde kaydırılmıştır

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 ilkErime 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 belirlenenKristallik / 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 numunelerinKristallik / 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 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 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 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 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.