Компоненти, базирани на UD лента, за кратко време на цикъла
Технология на процеса за консолидиране на
високоефективни термопластични влакна-
свързани (UD ленти) на базата на
във Fraunhofer ИКТ развиха страх-
Индуцирана от белите дробове вакуумна консолидация (Източник на изображението: Fraunhofer ICT)
Въз основа на индуцирана от радиация вакуумна консолидация, Fraunhofer ICT и производителят на системи Dieffenbacher разработиха индустриалната система Fibercon, която допълва технологията за полагане на термопластична лента Fiberforge с консолидирането на полуфабрикати. Досега тази производствена стъпка традиционно се извършва в енергоемки и разходно непрекъснати или непрекъснати процеси на пресоване, например с двойна лентова преса или интервална гореща преса. Учени от Fraunhofer ICT установиха още през 2012 г., че този процес представлява пречка във веригата на процесите за термопластични ленти. При изцяло нов подход към разработването може да се създаде решение с индуцирана от радиация вакуумна консолидация.
Технологична верига за полагане на термопластична лента
Термично разграждане, обозначено с
Отслабване едно
Лента от полиамид 6 при нагряване до различни температурни процеси в инертна атмосфера и на въздух. (Източник на изображението: Fraunhofer ICT)
Една от основните научни области на института е разработването на процеси за икономична лека конструкция. В допълнение към оптимизирането на установените процеси се поставят под въпрос пълните вериги от процеси и, въз основа на текущото състояние на изследванията, се преосмислят. Процесната верига на полагане на термопластична лента е разделена на три отделни етапа на процеса, базирани на UD лентите: полагане на лента, консолидация и процес на крайния компонент, като прекрояване и функционализиране на консолидираната структура при хибридно формоване. Цялата технологична верига, която е подходяща както за стандартни, така и за високотемпературни термопласти, се предлага в Института Фраунхофер в Пфинцтал.
Времето и качеството на цикъла са решаващи
Таблица 1: Предимства при обработка на UD ленти в сравнение с органични листове (Източник на изображението: Fraunhofer ICT)
За първата стъпка, полагането на лентата, има основно различни технологични процеси на пазара. В контекста на мащабното производство обаче времето за цикъл е от решаващо значение в допълнение към точността на полагане. С технологията за полагане на термопластична лента Fiberforge, Frauhofer ICT разполага с най-бързата система за полагане на ленти в света. Изработените по поръчка гел ламинати (приспособени заготовки), които могат да бъдат произведени по тази технология, предлагат различни предимства в сравнение с използваните в момента тъкани полуфабрикати. Докато ориентацията на влакната по време на тъкането е фиксирана на 0 ° и 90 ° от посоките на основата и вътъка, UD лентите могат да бъдат подравнени с пътя на натоварване според основния път на натоварване във всяка ориентация на влакната, използвайки метода на полагане на лентата. Освен това полагането на лентите на слоеве не води до вълнообразни вълни, което означава, че може да се използва пълният механичен потенциал на влакната в полуготовия продукт. Чрез полагане на отделни ленти от UD лента е възможно също така да се създаде полуфабрикат с почти нетна форма, като по този начин се намалят отпадъците от материали и в резултат на това разходите за компонентите.
Индуцираната от радиация вакуумна консолидация
Схематичен процес-
процедура за радиация-
индуцирана вакуумна консолидация. (Източник на изображението: Fraunhofer ICT)
В съответствие с тези цели, разработеният процес използва отрицателно налягане за изграждане на налягане и инфрачервено лъчение за отопление. Това означава, че материалът може да се нагрява и притиска внимателно, директно и бързо в защитена атмосфера. Общият процес протича в пет стъпки. Първо, приспособената заготовка се поставя между двете половини на инструмента, които са прозрачни за ИЧ лъчение. След това вакуумът се натрупва и поддържа през целия процес до отстраняването на компонентите. Въздухът, задържан между отделните слоеве, вече е евакуиран и не може да остане като въздушна брава в консолидираната тъкан. Когато материалът се промени в разтопено състояние, въздухът, задържан по време на производството на лента, също може да излезе, което означава, че съдържанието на порите може да бъде допълнително намалено.
След достигане на целевата температура материалът се охлажда и консолидираната заготовка може да бъде премахната. Тук е възможно процесът на охлаждане да се прекъсне по-рано, за да се използва останалата топлина в материала за нагряване при хибридното формоване надолу по веригата. Благодарение на специално покритие върху половините на формата, също така е възможно да се консолидират повечето термопластични материали, без да се отделят агенти. В допълнение към краткото време на цикъла, това е все по-централно изискване за автоматизирана по-нататъшна обработка при свързване и за функционализиране при хибридно формоване.
Пример за лошо разпределение на влакната в търговска UD лента (вляво) и лошо качество на импрегниране на отделни лентови ленти в консолидираната тъкан (вдясно) (източник на изображението: Fraunhofer ICT)
Предимствата на разработения процес се крият и в ниската инвестиция, намаленото изместване на влакната поради ниското налягане в процеса и консолидацията с изключване на кислорода. По-специално за тази цел в института бяха проведени изследвания на термичното разграждане на полиамидни 6 лентови слоеве в зависимост от температурата на процеса. Други процеси понякога изискват по-високи температури на процеса, например за компенсиране на трансфер и свързаното с това охлаждане. Тъй като топлинните загуби по време на индуцирана от радиация вакуумна консолидация са минимални поради топлоизолацията, температурата на процеса е само малко над температурата на топене.
Заедно с Dieffenbacher, разработеният процес може да бъде приложен в процес, подходящ за мащабно производство. Системната технология премахва пречките в технологичната верига от лентата до крайния композитен компонент от термопластични влакна. Веригата на процесите вече е достъпна за споделено използване в изследователски и развойни проекти. В допълнение към системната технология, подходяща за мащабно производство, Fraunhofer ICT, в сътрудничество с други партньори, предлага и специфична за процеса поддръжка за проектиране на компоненти и симулативен дизайн.
За автора
Тобиас Линк
е асистент-изследовател в областта на продуктите за термопластична обработка в Института по химическа технология Fraunhofer, Pfinztal, от 2015 г.