Nowoczesne technologie w produkcji kompozytów

© Lockheed Martin

Udostępnij:

Dzięki swojej wszechstronności kompozyty wykorzystuje się w wielu dziedzinach przemysłu. Ile różnych rodzajów kompozytów, tyle różnorodnych metod ich wytwarzania. Procesy i technologie ich produkcji dopasowuje się do użytych materiałów oraz cech produktu, które się chce osiągnąć. Dlatego innowacji w technologii wytwarzania kompozytów jest wiele i dotyczą wszystkich etapów procesu: od kontrolowania jego przebiegu po projektowanie odpowiednich narzędzi.

Wygrzewanie stanowi ważny etap produkcji kompozytów, dlatego przyciąga znaczną uwagę inżynierów. Proponują oni rozwiązania optymalizujące ten proces. Utwardzanie materiału w autoklawie jest bardzo kosztowne nie tylko ze względu na drogie oprzyrządowanie, ale przede wszystkim na to, że autoklaw pochłania dużo energii, a także wydłuża ostatni etap produkcji kompozytu. Dlatego tak dobrze rozwijają się technologie procesów poza autoklawem. Jeszcze jakiś czas temu produkty wytworzone w takich procesach nie dorównywały tym, które w obróbce wykorzystywały autoklaw, jednak to się zmieniło, dzięki dużemu zainteresowaniu ze strony przemysłu lotniczego. Do alternatywnych procesów należy zaliczyć procesy RTM (Resin Transfer Molding).



Piece mikrofalowe
W konwencjonalnych systemach wygrzewania, takich jak autoklawy, kompozyt jest grzany od zewnątrz (od powierzchni) do środka. Ciepło przenika przez powierzchnię do środka elementu. Szybkość grzania się części silnie zależy od parametrów materiału, jego ciepła właściwego, przewodności cieplnej, gęstości i lepkości. W konsekwencji brzegi i rogi szybciej osiągają ustaloną temperaturę. Element grzeje się nierównomiernie, co może powodować powstanie naprężeń w gotowym produkcie. Rozwiązanie oparte na grzaniu za pomocą mikrofal zapewnia objętościowe wygrzewanie materiału. Energia cieplna przekazywana przez fale elektromagnetyczne relatywnie równo i stosunkowo szybko ogrzewa cały element. W związku z tym zapewnia lepszą kontrolę temperatury i mniejsze, efektywniejsze zużycie energii. Pilotażowe wdrożenie tego systemu przeprowadził GKN, dążąc do uzyskania jakości „z autoklawu” przy mniejszym nakładzie energii. W porównaniu ze standardowymi technikami ta technologia zużywa około 80% mniej energii i skraca czas cyklu o 40%. Wynika to z krótszej fazy rozgrzewania i braku konieczności studzenia pieca między kolejnymi cyklami. Zmieniając materiały pieca mikrofalowego, można sterować ich właściwościami – różne materiały będą się grzać (pochłaniać fale), odbijać je (zapobiegać stratom energii) lub nie oddziaływać z nimi (pozostaną chłodne).



Wygrzewanie bez pieca
O krok dalej poszli inżynierowie zajmujący się techniką lotniczą w MIT: wynaleźli folię z nanorurek węglowych, która nadaje się do wygrzewania kompozytów bez użycia pieców. Folia owinięta wokół kompozytu po podłączeniu do źródła prądu powoduje jego krzepnięcie. Grupa badawcza przetestowała folię na materiale z włókien węglowych standardowo wykorzystywanym do budowy samolotów. Kompozyt, który otrzymali, okazał się równie mocny jak ten wygrzewany konwencjonalnymi metodami, jednak przy zużyciu energii zaledwie 1% w porównaniu do pieca. Technologia ma szansę wyprzeć ogromne i kosztowne piece, które ponadto pochłaniają dużo energii.

Pomiary utwardzania
Kontrola procesu wytwarzania kompozytów bardzo wyewoluowała na przestrzeni ostatnich lat wraz z rozwojem skomputeryzowanych i zautomatyzowanych systemów pomiarowych, a także dzięki możliwości kontroli warunków in situ: przede wszystkim temperatury i ciśnienia. Utwardzanie części, które stanowi końcowy, a zarazem kluczowy etap produkcji kompozytów, może być charakteryzowane na bieżąco przy użyciu tych parametrów. Tempo utwardzania zależy od wielu czynników: temperatury otoczenia i szybkości jej zmian, użytej żywicy. Bez bezpośredniego pomiaru szybkości sieciowania warstw wytwórca musi stosować margines błędu podczas utwardzania, czyli w praktyce wydłużać cykl. Powoduje to zwiększenie kosztów produkcji oraz może wpłynąć na gorszą jakość produktu, np. w wyniku przesuszenia. Na szczęście obecnie dostępne są urządzenia pomiarowe, które na podstawie odczytu dają bezpośrednią informację o aktualnym stanie fizycznym i chemicznym materiału. Takie mierniki pozwalają stwierdzić, czy nastąpiło pełne związanie warstw i określić czas potrzebny do jego ukończenia. Dzięki stosowaniu systemów pomiarowych firmy mogą oszczędzić 10-40% na czasie utwardzania, zachowując jakość swoich produktów. Obecne dostępne przyrządy bazują na pomiarach elektrycznych lub termicznych właściwości żywicy.

Elektryczne pomiary
Sensory dielektryczne określają postęp utwardzania, mierząc przewodność jonów – niewielkich, spolaryzowanych ilości zanieczyszczeń zawartych w żywicach. Jony przemieszczają się w kierunku elektrod o przeciwnym znaku z szybkością określoną przez lepkość żywicy. Na lepkość z kolei wpływa proces sieciowania materiału – im bardziej zaawansowane stadium, tym większa lepkość i zmniejszona szybkość przepływu jonów. Elektrody zazwyczaj umieszcza się w matrycy, oddzielone od siebie niewielką objętością żywicy. Wykonuje się je z metalowych albo ceramicznych płytek, które mierzą konduktywność kompozytu. Do pomiaru konduktywności używa się napięcia przemiennego o częstotliwościach typowo od 0,1 Hz do 100 kHz. Z amplitudy i fazy prądu odczytuje się przewodność. Pomiary dielektryczne pozwalają mierzyć lepkość za pomocą małych częstotliwości prądu. Natomiast, przykładając zmienne napięcie o wysokich częstotliwościach, można także mierzyć lepkość materiału. Pomiar jednak opiera się wtedy na innym zjawisku. Dipole, czyli pary polarnych cząstek obecne w materiale, obracają się pod wpływem zmiany pola elektrycznego w stosunku do siebie. Korzysta się tutaj z przedziału częstotliwości od 10 MHz do 10 GHz. Zaletą tej metody jest możliwość pomiaru w późniejszych fazach schnięcia żywicy. Do pomiarów elektrycznych należy też pomiar mikronapięcia sieciowania. Okazuje się, że napięcie na warstwach zmienia się w czasie w zależności od zaawansowania procesu – wynika to z wysycania się wiązań chemicznych między warstwami.

Inne sensory utwardzania
Innego typu sensory mierzą ilość ciepła wymienionego przez materiał z otoczeniem w jednostce czasu. Sensory potrafią analizować strumień pochodzący od ciepła z zewnątrz (np. pieca) i uwzględniać ciepło wydzielane podczas sieciowania. Zaleta tego rozwiązania polega na tym, że sensor nie musi stykać się z żywicą, a także, że nadaje się do różnych technik utwardzania. Przyszłością pomiarów postępu zestalania materiału są światłowody. Koncepcja pomiaru opiera się na wysyłaniu fali w podczerwieni i jej analiza po interakcji z materiałem. Na tej podstawie można określić zaawansowanie procesu suszenia oraz od razu jakość kompozytu. To metoda z pewnością najbardziej zaawansowana i mająca największe możliwości, jednak bardzo droga (ze względu na koszty detektorów) i najmniej rozwinięta z zaprezentowanych.

Symulacje w produkcji kompozytów
Części kompozytowe nigdy nie mają takich samych wymiarów jak formy, w których są wytwarzane. Wynika to z tego, że formy i narzędzia zmieniają swoje wymiary podczas ogrzewania i chłodzenia. Dotyczy to wszystkich kompozytów, dlatego tak trudno przewidzieć wymiary produktu końcowego. Dopóki zadane tolerancje są znaczne, nie stanowi to problemu. Gorzej, kiedy wymaga się dużej precyzji oraz dokładnych wymiarów. Można wtedy zastosować metodę prób i błędów: eksperymentować z parametrami procesu, aby uzyskać pożądany efekt. Jednak to podejście może być żmudne i drogie. Aby tego uniknąć, można zastosować symulacje do wyliczenia wymiarów produktu przy zadanych parametrach. Komputerowy model musi zawierać dokładne odwzorowanie geometrii, warstw i właściwości materiałów, a także opisywać, w jaki sposób parametry zmieniają się w kolejnych etapach produkcji.

 

Udostępnij:

Drukuj



Przemysław Juda




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również