Производство композитных материалов вне автоклавов - Out of autoclave composite manufacturing

Производство композитных материалов вне автоклавов является альтернативой традиционного высокого давления автоклав (промышленный) процесс отверждения, обычно используемый производители аэрокосмической отрасли для изготовления композитный материал. Вне автоклава (OOA) - это процесс, который достигает того же качества, что и автоклав, но с помощью другого процесса.^[1] Отверждение OOA обеспечивает желаемое содержание волокна и устранение пустот за счет помещения укладки в закрытую форму и приложения вакуума, давления и тепла с помощью иных средств, кроме автоклава. Пресс RTM - это типичный метод приложения тепла и давления к закрытой форме. В настоящее время используется несколько технологий вне автоклавов, в том числе литье смолы с переносом (RTM), литье с переносом смолы на соответствие требованиям (SQRTM), литье с переносом смолы с помощью вакуума (VARTM) и литье под давлением со сбалансированным давлением. Самый продвинутый из этих процессов позволяет производить высокотехнологичные компоненты самолетов в форме сетки.

Процессы

Трансферное формование - RTM

Литье с переносом смолы (RTM) - это метод изготовления высокотехнологичных композитных конструкций. Процесс RTM позволяет стабильно производить композитные детали с высокой прочностью, сложной геометрией, жесткими допусками по размерам и качеством деталей, которые обычно требуются для аэрокосмических применений. RTM использует закрытые формы, обычно сделанные из алюминия. В пресс-форму помещается «скрутка» волокон, например графит. Форма закрывается, герметизируется, нагревается и помещается под вакуум. Нагретая смола вводится в форму для пропитывания укладки волокон. Нагревая форму и находясь под вакуумом, как в Литье под вакуумом с переносом смолы (VARTM) способствует потоку смолы. Затем форму выдерживают при температуре, достаточной для отверждения смолы. Текущая технология RTM позволяет получать легкие детали с превосходными механическими свойствами. Обладая этими качествами, композитные материалы находят широкое применение в различных конструкционных и неструктурных приложениях, распространенных в аэрокосмической и авиационной промышленности. RTM - один из методов изготовления этих композитных структур.^[1]^[2]

Трансферное формование с одинаковой квалификацией (SQRTM)

SQRTM - это метод производства композитных материалов в закрытых формах, аналогичный RTM (литье с переносом смолы). «Такой же квалифицированный» относится к этому методу впрыскивания той же смолы, которая использовалась при укладке препрега. Атрибуты «одинаковой квалификации» важны для производителя, потому что тем, кто применяет этот процесс, не нужно повторно квалифицировать полимерные материалы для своего производственного процесса. Процесс QRTM: жидкое формование + препрег Что отличает SQRTM от стандартного литья под давлением (RTM), так это то, что вместо преформы из сухого волокна он заменяет укладку препрега.^[3]

SQRTM - это процесс RTM, адаптированный к технологии препрега. Препрег помещается в закрытую форму, и во время цикла отверждения небольшое количество смолы вводится в полость через отверстия, расположенные вокруг детали. Эта смола не проникает в ламинат, а только прижимается к краю ламината, чтобы создать гидростатическое давление на препрег, подобно цели отверждения в автоклаве. Это давление аналогично автоклаву, порядка 6-7 бар (90-100 фунтов на квадратный дюйм). Гидростатическое давление сводит к минимуму образование пустот, удерживая растворенный воздух, воду и мономеры смолы в растворе в смоле. Инструмент может быть самозажимным и самонагревающимся или нагретым и зажатым с помощью пресса. Оборудование состоит из инструмента, пресса, инжектора и вакуумного насоса.^[4]

Ключевыми факторами в процессе SQRTM являются прецизионная механическая обработка закрытых форм, прессы высокого давления, высокий вакуум, прикладываемый к внутренней части инструмента, и точное управление нагревательными плитами, объемом впрыскиваемой смолы, нагревом и давлением.^{[нужна цитата ]}

Преимущества процесса SQRTM включают высокий уровень интеграции, жесткие допуски и использование квалифицированных препрегов, а к недостаткам - более высокую стоимость инструмента и более низкий уровень гибкости при внесении изменений в конструкцию.^[5]

RTM с использованием вакуума (VARTM)

VARTM это одна из трех альтернатив обработки, которые, по утверждению сторонников, могут достичь результатов аэрокосмического качества, не прибегая к отверждению в автоклаве. VARTM обозначает множество связанных процессов инфузии смол, которые в настоящее время широко используются на морском, транспортном и инфраструктурном рынках. Эти процессы радикально отличаются от обработки препрега тем, что армирующие волокна и материалы сердцевины укладываются в одностороннем виде и упаковываются в вакуумные мешки. Затем жидкая смола вводится через одно или несколько отверстий, стратегически размещенных в форме, и всасывается под вакуумом через арматуру с помощью ряда встроенных каналов и / или тщательно размещенных инфузионных сред, которые способствуют смачиванию волокон. В отличие от автоклава, отверждение VARTM не требует ни высокой температуры, ни высокого давления. Сравнительно недорогая оснастка VARTM позволяет недорого изготавливать большие сложные детали за один проход,^[1] например, хвост на Mitsubishi Regional Jet.^[6]

Формование жидкости со сбалансированным давлением

Формование со сбалансированным давлением с использованием жидкости в качестве теплопередачи на коммерческой практике называется «быстрым шагом». Этот процесс позволяет отверждать, частично отверждать и соединять композитные материалы. Этот процесс включает в себя технологию плавучей пресс-формы с подогревом и заполнением жидкостью, сбалансированным давлением. Технология нагретой плавающей пресс-формы, используемая в этом процессе, работает путем быстрого приложения тепла к ламинату, который зажат между свободно плавающей жесткой или полужесткой формой, которая плавает внутри и окружена теплопередача жидкость (HTF). Быстрый нагрев может привести к значительно более низкой вязкости смолы, а это, в свою очередь, позволяет добиться полного уплотнения ламината при более низких давлениях, чем те, которые используются в автоклаве. Форма и ламинат отделяются от циркулирующей HTF гибкой мембраной. Деталь, обычно находящаяся в полном вакууме, подвергается давлению жидкости до 250 кПа и может быть быстро нагрета до желаемой температуры отверждения без риска катастрофической экзотермической реакции, поскольку HTF может потреблять избыточное тепло по желанию. Затем воздух удаляется под вакуумом, ламинат уплотняется и нагревается до полного отверждения детали.

Гибкая мембрана под формой прикреплена к камере давления, образуя нижнюю половину «раскладушки» или «камеры», подобной комплекту форм. Вторая гибкая мембрана соединена с второй камерой давления, создавая верхнюю половину раскладушки. Эти напорные камеры зажимаются вместе во время обработки, что позволяет сжимать ламинат, уменьшая при этом нагрузку на форму, поскольку она плавает в среде с уравновешенным давлением внутри HTF.

В процессе можно использовать термореактивный, термопласт препреги (предварительно пропитанные композитные волокна) и влажная смола с сухим волокном для производства композитных деталей превосходного качества. Этот процесс вне автоклава позволяет достичь содержания пустот для аэрокосмической промышленности менее 2% при чрезвычайно коротком времени цикла, при значительно более низком давлении и меньших затратах на рабочую силу, чем во многих альтернативных системах производства автоклавов с использованием многих типичных препрегов, пригодных для автоклавирования. Система быстрого выхода из автоклава уникальна тем, что в ней используется полностью погруженная жидкость со сбалансированным давлением для отверждения, и она позволяет пользователю остановить реакцию отверждения композита в любой момент цикла отверждения и, таким образом, может остановить обработку всего или части ламината и либо вернуться к нему позже, чтобы завершить отверждение, либо для совместного отверждения, соединения и связывания с ним других композитов для создания более крупных деталей.

Использование жидкости для контроля температуры, в отличие от газа, обычно используемого в таких методах, как автоклав и отверждение в духовке означает снижение потребление энергии, более короткое время цикла и чрезвычайно точный контроль температуры детали.

Компрессионное формование препрега

Другой способ достижения внешнего сжатия композитных деталей на основе препрега вне автоклава заключается в использовании термоусадочной ленты. Однако этот метод не обеспечивает высокое качество процессов RTM или автоклавирования, поскольку без автоклава или закрытой формы деталь необходимо отверждать в печи без давления. Эти компрессионные ленты обычно изготавливаются из полиэфирной (ПЭТ) пленки. Термоусадочная лента накладывается на композитную деталь перед циклом нагрева или отверждения. При нагревании лента сжимается в линейном (машинном) направлении. Термоусадочная лента лучше всего работает с деталями, имеющими цилиндрическое или полукруглое поперечное сечение, поскольку это позволяет ленте оказывать равномерное уплотняющее усилие на поверхность детали. Примерами могут служить композитные трубы для аэрокосмической промышленности, ветроэнергетики, потребительских спортивных товаров и т. Д. Термоусадочная лента позволяет обрабатывать эти детали без необходимости отверждения под действием тепла и давления автоклава.

Библиография

Роберт М. Джонс (1999). Механика композитных материалов (2-е изд.). Тейлор и Фрэнсис. ISBN 9781560327127.
Аутар К. Кав (2005). Механика композитных материалов (2-е изд.). CRC. ISBN 0-8493-1343-0.
Справочник по полимерным композитам для инженеров Леонарда Холлауэя, опубликованный издательством Woodhead Publishing в 1994 г.
Мэтьюз, Ф. И Роулингс, Р. Д. (1999). Композиционные материалы: инженерия и наука. Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 0-8493-0621-3.