Obecnie istnieje wiele procesów produkcyjnych struktur z materiałów kompozytowych, które można zastosować do produkcji i wytwarzania różnych konstrukcji.Jednakże, biorąc pod uwagę wydajność produkcji przemysłowej i koszty produkcji przemysłu lotniczego, zwłaszcza samolotów cywilnych, pilną kwestią jest usprawnienie procesu utwardzania w celu ograniczenia czasu i kosztów.Rapid Prototyping to nowa metoda produkcji oparta na zasadach formowania dyskretnego i piętrowego, która jest tanią technologią szybkiego prototypowania.Typowe technologie obejmują formowanie tłoczne, formowanie w stanie ciekłym i formowanie termoplastycznych materiałów kompozytowych.
1. Technologia szybkiego prototypowania poprzez prasowanie form
Technologia szybkiego prototypowania polega na umieszczeniu w formie wstępnie ułożonych prepregów, a po zamknięciu formy półfabrykaty są zagęszczane i utwardzane poprzez ogrzewanie i ciśnienie.Szybkość formowania jest duża, rozmiar produktu jest dokładny, a jakość formowania jest stabilna i jednolita.W połączeniu z technologią automatyzacji może osiągnąć masową produkcję, automatyzację i tanią produkcję kompozytowych elementów konstrukcyjnych z włókna węglowego w dziedzinie lotnictwa cywilnego.
Etapy formowania:
① Uzyskaj metalową formę o wysokiej wytrzymałości, która odpowiada wymiarom części wymaganych do produkcji, a następnie zainstaluj formę w prasie i podgrzej ją.
② Uformuj wymagane materiały kompozytowe w kształt formy.Formowanie wstępne to kluczowy etap, który pomaga poprawić wydajność gotowych części.
③ Włóż wstępnie uformowane części do podgrzanej formy.Następnie dociśnij formę pod bardzo wysokim ciśnieniem, zwykle w zakresie od 800 psi do 2000 psi (w zależności od grubości części i rodzaju użytego materiału).
④ Po zwolnieniu nacisku wyjmij część z formy i usuń wszelkie zadziory.
Zalety formowania:
Z różnych powodów popularną technologią jest formowanie.Jednym z powodów jego popularności jest to, że wykorzystuje zaawansowane materiały kompozytowe.W porównaniu z częściami metalowymi materiały te są często mocniejsze, lżejsze i bardziej odporne na korozję, dzięki czemu powstają przedmioty o lepszych właściwościach mechanicznych.
Kolejną zaletą formowania jest możliwość wytwarzania bardzo skomplikowanych części.Chociaż technologia ta nie jest w stanie w pełni osiągnąć szybkości produkcji formowania wtryskowego tworzyw sztucznych, zapewnia ona bardziej geometryczne kształty w porównaniu z typowymi laminowanymi materiałami kompozytowymi.W porównaniu do formowania wtryskowego tworzyw sztucznych, pozwala to również na dłuższe włókna, dzięki czemu materiał jest mocniejszy.Dlatego formowanie można postrzegać jako środek pomiędzy formowaniem wtryskowym tworzyw sztucznych a produkcją laminowanych materiałów kompozytowych.
1.1 Proces formowania SMC
SMC to skrót od materiałów kompozytowych do formowania blachy, czyli materiałów kompozytowych do formowania blachy.Główne surowce składają się ze specjalnej przędzy SMC, nienasyconej żywicy, dodatków o niskim skurczu, wypełniaczy i różnych dodatków.Na początku lat 60-tych pojawił się po raz pierwszy w Europie.Około 1965 roku technologię tę sukcesywnie rozwijały Stany Zjednoczone i Japonia.Pod koniec lat 80. Chiny wprowadziły z zagranicy zaawansowane linie i procesy produkcyjne SMC.SMC ma zalety, takie jak doskonała wydajność elektryczna, odporność na korozję, niewielka waga oraz prosta i elastyczna konstrukcja.Jego właściwości mechaniczne mogą być porównywalne z niektórymi materiałami metalowymi, dlatego jest szeroko stosowany w takich gałęziach przemysłu jak transport, budownictwo, elektronika i elektrotechnika.
1.2 Proces formowania BMC
W 1961 roku na rynek wprowadzono mieszankę do formowania arkuszy żywicy nienasyconej (SMC) opracowaną przez firmę Bayer AG w Niemczech.W latach sześćdziesiątych XX wieku zaczęto promować masę do formowania masy luzem (BMC), znaną w Europie również jako DMC (mieszanka do formowania ciasta), która na wczesnych etapach (lata pięćdziesiąte XX wieku) nie była zagęszczana;Według amerykańskiej definicji BMC to pogrubiony BMC.Po przyjęciu technologii europejskiej Japonia poczyniła znaczące osiągnięcia w zastosowaniu i rozwoju BMC, a do lat 80. XX wieku technologia ta stała się bardzo dojrzała.Dotychczas matrycą stosowaną w BMC była nienasycona żywica poliestrowa.
BMC należy do tworzyw termoutwardzalnych.W oparciu o charakterystykę materiału temperatura cylindra materiału wtryskarki nie powinna być zbyt wysoka, aby ułatwić przepływ materiału.Dlatego w procesie formowania wtryskowego BMC bardzo ważna jest kontrola temperatury cylindra z materiałem i musi istnieć system kontroli zapewniający odpowiedni poziom temperatury, aby osiągnąć optymalną temperaturę od sekcji podawania do dysza.
1.3 Formowanie policyklopentadienu (PDCPD).
Formowanie policyklopentadienowe (PDCPD) to głównie czysta matryca, a nie wzmocnione tworzywo sztuczne.Zasada procesu formowania PDCPD, która pojawiła się w 1984 roku, należy do tej samej kategorii co formowanie poliuretanu (PU) i została opracowana po raz pierwszy w Stanach Zjednoczonych i Japonii.
Telene, spółka zależna japońskiej firmy Zeon Corporation (z siedzibą w Bondues we Francji), odniosła ogromny sukces w badaniach i rozwoju PDCPD oraz w jej działalności komercyjnej.
Sam proces formowania RIM jest łatwiejszy do zautomatyzowania i charakteryzuje się niższymi kosztami pracy w porównaniu z procesami takimi jak natryskiwanie FRP, RTM czy SMC.Koszt formy stosowanej przez PDCPD RIM jest znacznie niższy niż w przypadku SMC.Na przykład w formie maski silnika Kenworth W900L zastosowano niklową obudowę i odlewany rdzeń aluminiowy z żywicą o niskiej gęstości i ciężarze właściwym zaledwie 1,03, co nie tylko zmniejsza koszty, ale także zmniejsza wagę.
1.4 Bezpośrednie formowanie online termoplastycznych materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem (LFT-D)
Około 1990 roku wprowadzono na rynek w Europie i Ameryce LFT (Long Fibre Reinforced Thermoplastics Direct).Firma CPI w Stanach Zjednoczonych jest pierwszą firmą na świecie, która opracowała urządzenia do bezpośredniego formowania kompozytów termoplastycznych wzmocnionych długimi włóknami w linii prostej i odpowiednią technologię (LFT-D, Direct In Line Mixing).Rozpoczęła działalność komercyjną w 1991 roku i jest światowym liderem w tej dziedzinie.Niemiecka firma Diffenbarcher prowadzi badania nad technologią LFT-D od 1989 roku. Obecnie dostępne są głównie technologie LFT D, Tailored LFT (które umożliwiają uzyskanie lokalnego wzmocnienia w oparciu o naprężenia strukturalne) oraz Advanced Surface LFT-D (powierzchnia widoczna, duża powierzchnia jakość) technologie.Z punktu widzenia linii produkcyjnej poziom prasy Diffenbarchera jest bardzo wysoki.System wytłaczania D-LFT niemieckiej firmy Cooperative zajmuje wiodącą pozycję na arenie międzynarodowej.
1.5 Technologia wytwarzania odlewów bez formy (PCM)
PCM (Pattern less Casting Manufacturing) został opracowany przez Centrum Szybkiego Prototypowania Laserowego na Uniwersytecie Tsinghua.Technologię szybkiego prototypowania należy zastosować w tradycyjnych procesach odlewania w piasku żywicznym.Najpierw uzyskaj model CAD odlewu z modelu CAD części.Plik STL modelu CAD odlewu jest warstwowy w celu uzyskania informacji o profilu przekroju poprzecznego, które są następnie wykorzystywane do generowania informacji sterujących.Podczas procesu formowania pierwsza dysza dokładnie natryskuje klej na każdą warstwę piasku za pomocą sterowania komputerowego, podczas gdy druga dysza natryskuje katalizator tą samą drogą.Obydwa ulegają reakcji wiązania, zestalając piasek warstwa po warstwie i tworząc stos.Piasek w obszarze współpracy kleju i katalizatora ulega zestaleniu, podczas gdy piasek w pozostałych obszarach pozostaje w stanie ziarnistym.Po utwardzeniu jednej warstwy sklejana jest kolejna, a po sklejeniu wszystkich warstw uzyskuje się całość przestrzenną.Oryginalny piasek to w dalszym ciągu suchy piasek w miejscach, gdzie nie natryskiwano kleju, co ułatwia jego usunięcie.Oczyszczając środek z nieutwardzonego, suchego piasku, można uzyskać formę odlewniczą o określonej grubości ścianek.Po nałożeniu lub zaimpregnowaniu farby na wewnętrznej powierzchni formy piaskowej można ją stosować do wylewania metalu.
Temperatura utwardzania w procesie PCM wynosi zwykle około 170 ℃.Rzeczywiste układanie na zimno i usuwanie na zimno stosowane w procesie PCM różni się od formowania.Układanie na zimno i zdejmowanie izolacji na zimno polega na stopniowym układaniu prepregu na formie zgodnie z wymaganiami dotyczącymi struktury produktu, gdy forma znajduje się na zimnym końcu, a następnie zamykaniu formy za pomocą prasy formującej po zakończeniu układania w celu zapewnienia określonego ciśnienia.W tym czasie forma jest podgrzewana za pomocą maszyny do pomiaru temperatury formy. Zwykły proces polega na podniesieniu temperatury z temperatury pokojowej do 170 ℃, a szybkość ogrzewania należy dostosować do różnych produktów.Większość z nich jest wykonana z tego tworzywa sztucznego.Gdy temperatura formy osiągnie ustawioną temperaturę, przeprowadza się izolację i konserwację ciśnienia w celu utwardzenia produktu w wysokiej temperaturze.Po zakończeniu utwardzania konieczne jest również użycie maszyny do utrzymywania temperatury formy w celu schłodzenia temperatury formy do normalnej temperatury, a szybkość ogrzewania jest również ustawiona na 3-5 ℃/min. Następnie należy przystąpić do otwierania formy i ekstrakcji części.
2. Technologia formowania cieczy
Technologia formowania płynnego (LCM) odnosi się do szeregu technologii formowania materiałów kompozytowych, które najpierw umieszczają preformy z suchych włókien w zamkniętej gnieździe formy, a następnie po zamknięciu formy wtryskują płynną żywicę do wnęki formy.Pod ciśnieniem żywica przepływa i nasiąka włóknami.W porównaniu z procesem formowania puszek metodą prasowania na gorąco, LCM ma wiele zalet, takich jak możliwość wytwarzania części o dużej dokładności wymiarowej i złożonym wyglądzie;Niski koszt produkcji i prosta obsługa.
Zwłaszcza opracowany w ostatnich latach wysokociśnieniowy proces RTM, HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Moulding), w skrócie HP-RTM moulding Process.Odnosi się do procesu formowania polegającego na mieszaniu i wtryskiwaniu żywicy pod wysokim ciśnieniem do zamkniętej próżniowo formy wstępnie ułożonej z materiałów wzmocnionych włóknami i wstępnie osadzonych komponentów, a następnie otrzymywania produktów z materiałów kompozytowych poprzez wypełnianie przepływem żywicy, impregnację, utwardzanie i wyjmowanie z formy .Oczekuje się, że skracając czas wtryskiwania, można kontrolować czas produkcji elementów konstrukcyjnych lotnictwa w ciągu kilkudziesięciu minut, osiągając wysoką zawartość włókien i produkcję części o wysokiej wydajności.
Proces formowania HP-RTM jest jednym z procesów formowania materiałów kompozytowych szeroko stosowanych w wielu gałęziach przemysłu.Jego zalety polegają na możliwości osiągnięcia niskich kosztów, krótkich cykli, produkcji masowej i produkcji wysokiej jakości (przy dobrej jakości powierzchni) w porównaniu z tradycyjnymi procesami RTM.Jest szeroko stosowany w różnych gałęziach przemysłu, takich jak produkcja samochodów, przemysł stoczniowy, produkcja samolotów, maszyny rolnicze, transport kolejowy, wytwarzanie energii wiatrowej, artykuły sportowe itp.
3. Technologia formowania termoplastycznych materiałów kompozytowych
W ostatnich latach termoplastyczne materiały kompozytowe stały się gorącym punktem badawczym w dziedzinie produkcji materiałów kompozytowych, zarówno w kraju, jak i za granicą, ze względu na ich zalety, takie jak wysoka odporność na uderzenia, wysoka wytrzymałość, wysoka tolerancja na uszkodzenia i dobra odporność na ciepło.Spawanie z termoplastycznymi materiałami kompozytowymi może znacznie zmniejszyć liczbę połączeń nitowych i śrubowych w konstrukcjach lotniczych, znacznie poprawiając wydajność produkcji i obniżając koszty produkcji.Według Airframe Collins Aerospace, pierwszorzędnego dostawcy konstrukcji lotniczych, nietłoczone na gorąco, nadające się do zgrzewania konstrukcje termoplastyczne mogą potencjalnie skrócić cykl produkcyjny o 80% w porównaniu z metalowymi i termoutwardzalnymi komponentami kompozytowymi.
Zastosowanie najbardziej odpowiedniej ilości materiałów, dobór najbardziej ekonomicznego procesu, zastosowanie produktów w odpowiednich częściach, osiągnięcie założonych celów projektowych oraz osiągnięcie idealnego stosunku wydajności do kosztów produktów zawsze było kierunkiem wysiłków specjalistów zajmujących się materiałami kompozytowymi.Wierzę, że w przyszłości zostanie opracowanych więcej procesów formowania, aby sprostać potrzebom projektowania produkcji.
Czas publikacji: 21 listopada 2023 r
