Лай-ап процесс - Lay-Up process
А Лай-ап процесс это процесс формования за композитные материалы, в котором конечный продукт получается путем наложения определенного количества различных слоев, обычно изготовленных из непрерывных полимерных или керамических волокон и термореактивная полимерная жидкая матрица. Он может быть разделен на сухой и мокрый, в зависимости от того, пропитаны ли слои предварительно или нет. аэрокосмическая промышленность, благодаря возможности получения сложных форм с хорошими механическими свойствами, характеристиками, необходимыми в этой области. Напротив, поскольку Wet Lay-Up не позволяет использовать однонаправленные ткани, которые имеют лучшие механические свойства, он в основном применяется для всех других областей, которые в целом предъявляют более низкие требования к характеристикам.[1][2]
Основными этапами процесса Lay-Up являются резка, ламинирование и полимеризация.[нужна цитата ] Даже если некоторые этапы производства можно автоматизировать, этот процесс в основном выполняется вручную (поэтому его часто называют Процесс раздачи рук), что приводит к созданию ламинатов с высокими производственными затратами и низкой производительностью по сравнению с другими технологиями.[нужна цитата ] Следовательно, в настоящее время он в основном подходит для мелкосерийного производства от 10 до 1000 деталей.[2][3]
Резка
Раскрой ткани - это первый этап процесса Lay-Up. Хотя волокна, как правило, обладают высокой прочностью на разрыв, прочность на сдвиг обычно довольно низкая, поэтому их довольно легко разрезать. Этот процесс может быть ручным, полуавтоматическим или полностью автоматическим.[1]
Что касается инструментов, наиболее распространены ножницы, резаки, ножи и пилы. Более автоматизированными альтернативами являются системы высечки, которые позволяют достичь более высокой производительности и сохранить минимальные затраты, поскольку они позволяют резать больше слоев ткани одновременно.[нужна цитата ] Эти методы требуют от оператора разных навыков и обеспечивают разную точность отделки, но все они являются механическими процедурами и имеют общий главный недостаток: физический контакт между режущим инструментом и волокнами.[4] Альтернативой с меньшим трением является ультразвуковой метод, который заключается в разрезании ткани лезвием, вызываемым высокочастотными механическими колебаниями, создаваемыми внутренним источником, интегрированным в систему.[1] Также существуют полностью бесконтактные методы резки, такие как лазерная резка и гидроабразивная резка, оба обычно встроены в ЧПУ машины.[нужна цитата ] Первый достигается за счет сходящегося пучка излучения, который испаряет находящийся под ним материал и сжатый газ для удаления летучих частиц и расплавленного материала. Второй основан на потоке жидкости под высоким давлением, который достигает скорости в 2,5 раза превышающей скорость звука, создавая давление на ткань, превышающее сопротивление материала сжатию, и в результате получается чистый разрез.[нужна цитата ] Оба этих метода имеют недостаток, который необходимо учитывать перед выбором методов резания: балки создают высокотемпературные области вдоль осей реза, в которых физические характеристики материала могут быть существенно изменены.[1][5]
В процессе резки необходимо учитывать фундаментальный параметр: схема раскроя, как сказать расположение различных форм, которые нужно вырезать в ткани, чтобы уменьшить количество обрезков.[нужна цитата ] Шаблоны обычно создаются в цифровом виде и, когда это возможно, передаются на станок с ЧПУ или, в противном случае, копируются вручную.[1]
Ламинирование
Ламинирование тканей - это второй этап процесса Lay-Up. Это процедура наложения всех слоев в правильном порядке и с правильной ориентацией. В случае Wet Lay-Up в эту операцию входит подготовка смолы, так как ткани еще не пропитаны. Ламинирование обычно выполняется в чистая комната чтобы избежать включения частиц внутри слоев, которые могут повлиять на характеристики конечного продукта.[1]
Самый важный инструмент - это плесень, который может быть мужчиной или женщиной в зависимости от приложения. Он может быть изготовлен из разных материалов, в зависимости от усадки и коэффициента теплового расширения композитного материала, требуемой жесткости, необходимой отделки поверхности, углов уклона и угла изгиба.[нужна цитата ] Кроме того, форма должна быть стабильной при температуре ламинирования, выдерживать рабочее давление, быть устойчивой к износу, быть совместимой с другими используемыми инструментами, быть стойкой к моющим растворителям и должна легко наноситься разделительные агенты.[6]
Первым этапом ламинирования является нанесение разделительный агент на пресс-форме, важно, чтобы избежать адгезии между смолой и самой формой. Если необходимо для отделки поверхности, можно добавить слой отслаивания.[нужна цитата ] Отслаивающиеся слои - это нейлоновые пленки, используемые для получения определенного грубость поверхности, на которую они нанесены, для их защиты во время хранения и для улавливания летучих частиц во время полимеризации.[нужна цитата ] Затем все слои ткани накладываются друг на друга в соответствии с инструкциями в таблице слоев, которая содержит список всех операций, которые необходимо выполнить во время этого процесса.[нужна цитата ] Обычно промежуточное уплотнение производится через каждые 4 или 5 слоев, чтобы дать возможность воздуху выйти и получить конечный продукт с более высокими механическими характеристиками.[1]
После того, как все ткани уложены в правильное положение, сверху накладывается еще один слой отслаивания с той же целью, что и первый. Над ним добавляется последовательность других слоев: разделительная пленка, которая отделяет ламинат от других слоев, но все же позволяет излишку смолы проходить сквозь него;[нужна цитата ] слив, основная функция которого - впитывание излишков смолы; барьер, чтобы отделить кровотечение от сапуна; сапун, чтобы равномерно распределять вакуум между внешними поверхностями и избегать передачи складок вакуумного мешка на ламинат; вакуумный мешок, гибкая полимерная пленка, обычно сделанная из нейлона, способная поддерживать вакуум, создаваемый с помощью вакуумный насос. Другими важными элементами являются клапаны и герметик, используемый для герметичного закрытия пакета.[1][7][8][9]
Этот процесс может быть ручным, полуавтоматическим или полностью автоматическим. Когда ламинирование выполняется полностью вручную, это длительный и сложный процесс (из-за требуемых строгих допусков). Альтернативой является полуавтоматический - также называемый «с механической поддержкой» - процесс, состоящий из машины, которая обрабатывает слои, а затем наносит их на форму оператором. Это полностью автоматический процесс, если такая машина, как автомат для укладки ленты, также может размещать слои в правильном положении и ориентации. Эти автоматические методы позволяют достичь высокой производительности.[1]
Полимеризация
Полимеризация ламината - третий и последний этап процесса Lay-Up. Этот этап чрезвычайно важен для получения требуемых характеристик конечного продукта.[1]
Полимеризация в автоклаве и промышленной печи
Этот процесс можно выполнить при комнатной температуре с помощью всего лишь вакуумный насос, для контроля вакуума с помощью промышленная печь подсоединен к вакуумному насосу, для контроля температуры и вакуума, или с автоклав, для контроля температуры, вакуума, а также гидростатическое давление.[1][10]
Полимеризация в автоклаве - это метод, позволяющий получать ламинаты с лучшими механическими свойствами, но он самый дорогой и позволяет использовать только открытые формы. Преимущество заключается в том, что давление способствует соединению слоев композита и удалению включений воздуха и летучих продуктов, повышая качество процесса.[8][11] Каждая комбинация ткани и смолы имеет свои оптимальные циклы полимеризации, зависящие от волокон. смачиваемость и свойства смолы, такие как вязкость и гелевая точка.[нужна цитата ] Обычно три цикла температуры, давления и вакуума изучаются экспериментально, чтобы получить наилучшее сочетание трех параметров. Полимеризация в промышленной печи аналогична, но без контроля давления. Он менее дорогой и поэтому используется для всех тех ламинатов, которым не обязательно иметь очень высокие механические свойства. Более того, поскольку промышленные печи, как правило, больше автоклавов, они используются для всех компонентов нестандартных размеров.[1]
Полимеризация с формованием под пресс-форму
Полимеризация с формованием в согласованную форму используется для плоских ламинатов или ламинатов простой геометрии и может включать вакуумный насос и электрический или гидравлический высокая температура источник. Он состоит из пресса с охватываемой и охватывающей формами, которые закрываются, образуя зазор по форме детали, ширина которого регулируется для контроля толщины детали. Пресс не может оказывать гидростатическое давление, как автоклав, а только вертикальное. Формование с согласованной матрицей позволяет добиться очень точного контроля размеров, хорошей обработки поверхности на обеих поверхностях и разумной производительности, но, в свою очередь, оно может иметь смещение волокон, а это очень дорого.[1][8][12]
Проблемы
Как отмечает Meola et al. указал в Инфракрасная термография в оценке композиционных материалов для авиакосмической промышленности, «Несколько различных типов дефектов могут возникать во время изготовления композитов, наиболее распространенными из которых являются несоосность волокон / люфтов, разорванные волокна, трещины смолы или поперечные трещины слоев, пустоты, пористость, шлаковые включения, неоднородное объемное соотношение волокна / смолы, отслоившиеся межслойные слои области, поцелуи, неправильное отверждение и механические повреждения вокруг обработанных отверстий и / или порезов ». [13]
Также необходимо учитывать три основные проблемы, связанные с резкой полимеризованных композиционных материалов. Во-первых, армирующие волокна абразивные, следовательно, традиционные инструменты для резки не подходят, так как их срок службы будет очень коротким, а их тупые края могут повредить материалы.[нужна цитата ] Во-вторых, композитные материалы не проводят ток, и это может вызвать накопление тепла и деформации.[нужна цитата ] Последнее заключается в том, что композитные материалы склонны к расслаиваться при резке, поэтому необходимо учитывать это при выборе способа резки.[14][15]
Рекомендации
- ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Сала, Джузеппе; Ди Ландро, Лука; Airoldi, Алессандро; Беттини, Паоло (2015). Tecnologie e Materiali Aerospaziali (1-е изд.). Миланский политехнический университет. С. 1-24 (Глава 37).
- ^ а б Каллистер-младший, Уильям Д.; Ретвиш, Дэвид Г. Материаловедение и инженерия: введение (8-е изд.). Вайли. С. 626-667 (Глава 16). ISBN 978-0-470-41997-7.
- ^ Свифт, К. Г .; Букер, Дж. Д. Справочник по выбору производственного процесса. п. 165.
- ^ Fuchs, A.N .; Schoeberl, M .; Tremmer, J .; Заех, М.Ф. (2013). «Лазерная резка тканей из углеродного волокна». Физические процедуры. 41: 372–380.
- ^ Масуд, Фатхи; Sapuan, S.M .; Мохд Ариффин, Мохд Хайрол Ануар; Нукман, Ю .; Байрактар, Эмин (2020). «Процессы резки полимерных композитов, армированных натуральным волокном». Полимеры: 4.
- ^ Сала, Джузеппе; Ди Ландро, Лука; Airoldi, Алессандро; Беттини, Паоло (2015). Tecnologie e Materiali Aerospaziali (1-е изд.). Миланский политехнический университет. С. 1-24 (Глава 42).
- ^ "Что такое вакуумная упаковка?". Ковентивные композиты. 2018-09-20. Получено 2018-10-01.
- ^ а б c Экольд, Джефф. Проектирование и изготовление композитных конструкций. Вудхед Паблишинг Лимитед. С. 273–277. ISBN 1 85573 051 0.
- ^ Маллик, П. К. Материалы, дизайн и производство легковых автомобилей. Издательство Woodhead. С. 227–228. ISBN 978-1-84569-463-0.
- ^ Министерство труда США. «Материалы с полимерной матрицей: современные композиты».
- ^ Джавайд, Мохаммад; Тарик, Мохамед; Саба, Нахид. Механические и физические испытания биокомпозитов, композитов, армированных волокном, и гибридных композитов. Эльзевир. п. 55. ISBN 978-0-08-102292-4.
- ^ Татара, Роберт А. (2011). Справочник по прикладной инженерии пластмасс. Эльзевир. п. 289.
- ^ Меола, Каросена; Боккарди, Симона; Карломаньо, Джованни Мария. Инфракрасная термография в оценке композиционных материалов для авиакосмической промышленности. Эльзевир. п. 16. ISBN 978-1-78242-172-6.
- ^ Джавайд, Мохаммад; Тарик, Мохамед; Саба, Нахид. Механические и физические испытания биокомпозитов, композитов, армированных волокном, и гибридных композитов. Эльзевир. С. 135–136. ISBN 978-0-08-102292-4.
- ^ FibreGlast. «Резка композитного ламината».