Безотходный процесс:новый процесс, оборудование перерабатывает препрег, ленточные отходы

Одна из проблем при комплектации препреговых тканей или однонаправленных (UD) лент - выяснить, что делать со слишком маленькими обрезками или чьи волокна неправильно выровнены для повторного использования в другом проекте. Хотя программное обеспечение для раскроя и резаки значительно сократили отходы, обрезки по-прежнему часто отправляются на свалку, что увеличивает затраты на материалы и детали, а также наносит ущерб окружающей среде. Однако голландская компания Van Wees UD и Crossply Technology BV (Тилбург, Нидерланды) помогает повысить устойчивость, разрабатывая новую технологию - и машины, которые делают это возможным - для повторного использования отходов термопластической ленты.

Текстильные корни

Компания Van Wees, основанная в 1945 году и имеющая глубокие корни в текстильной промышленности, является поставщиком полного спектра услуг, который проектирует, производит, устанавливает и вводит в эксплуатацию машины и производственные линии для производства передовых композитов (термореактивных или термопластичных, углеродных или стекловолоконных) с акцентом на качественные, крупносерийные методы производства. Компания производит линии пропитки препрега (включая шпулярники) - в первую очередь для эпоксидных смол на термореактивной стороне и для материалов от полипропилена (PP) до высокотемпературных полиамидов (PA) на термопластической стороне - а также машины для перекрестной и многоосной укладки ленты UD. , который может обрабатывать как термопластические, так и термореактивные ленты. Дочерняя компания Eltra Engineering BV (также в Тилбурге) специализируется на технологиях промышленной автоматизации и поставляет электрические средства управления и программное обеспечение для машин Van Wees.

В своем научно-техническом центре (R&TC) Van Wees обслуживает серийное оборудование для разработки собственных процессов, а также для клиентов, рассматривающих систему Van Wees или тех, кто учится управлять оборудованием в ожидании сборки своих машин. Это позволяет клиентам производить материалы, которые они могут оценить или, в свою очередь, предложить своим клиентам для оценки. Например, в R&TC жгуты могут быть вытянуты из шпулярника, а волокна распределены и пропитаны для производства лент, которые затем могут быть пропущены через поперечно или многоосные UD-машины компании для производства ламинатов с различными слоями слоев и ориентацией волокон. (Кросс-слоистые материалы имеют не менее двух слоев, ориентированных под углом 0/90 градусов, а многослойные многослойные материалы UD имеют не менее двух слоев UD, ориентированных под углом другой чем 0/90 градусов.) Ламинат, выходящий из этих машин, скреплен для облегчения работы. Затем они могут быть высечены в преформы чистой формы, которые затем готовы к переработке в составную деталь. Хотя оборудование Van Wees с перекрестным и многоосевым UD-оборудованием сосредоточено на производстве UD термопласта ленты, машины могут использоваться для производства лент с термореактивной матрицей и / или с тканью, а не с UD-армированием.

Интересно, что именно проблема отходов Van Wees, связанная с изготовлением этих продуктов для тестирования клиентов, а также запросы клиентов побудили исследователей компании разработать «безотходный процесс» для вторичной переработки стружки / отходов производства преформ с использованием заготовок из специально подобранного волокна. . В качестве услуги компания предлагает клиентам возможность оценить эти термопластические заготовки на основе чипов и уже разработала оборудование для их промышленного производства в больших объемах.

Не теряйте, не хотите

Во время операций высечки для изготовления преформ в форме сетки (которые Ван Вис называет «заплатами») скрап собирается и разделяется по типу смолы и волокна. Этот скрап имеет неправильную форму и размер, поэтому высекальные машины предназначены для производства «стружки» с максимальным размером 50 на 50 миллиметров. Измельченная стружка затем прессуется в консолидированный лист (посредством сжатия или вакуумного формования), в результате чего получается ламинат с произвольно ориентированными прерывистыми волокнами. Никакой дополнительной смолы для изготовления листа не требуется, и смешиваются только стружки с химически совместимыми смолами, хотя стружку, армированную стекловолокном и углеродным волокном, можно комбинировать в зависимости от свойств, требуемых для конечной детали, которая будет формироваться из стружки. ламинат.

Поскольку волокна в отдельных стружках внутри ламината могут иметь длину до 50 миллиметров, а ориентация волокон по листу является случайной, 100-процентные переработанные и безотходные специально созданные заготовки обеспечивают хорошую ортотропную жесткость и прочность - особенно по сравнению с инжекцией коротких волокон. формовочные смеси. Однако, поскольку массовые доли волокна для пучков прерывистых волокон ламината могут составлять 50-70 процентов - при начальных составах на верхнем пределе этого диапазона - материал едва ли может течь в прессе для сжатия. Следовательно, чтобы заполнить геометрию 2.5D или 3D, ламинат на основе стружки необходимо формовать с помощью короткого волокна или даже чистой смолы в машине для литья под давлением. Его также можно было формовать совместно с материалом из непрерывного волокна в прессе для сжатия. В любом случае ламинат необходимо предварительно нагреть перед формованием.

Интересно, что Van Wees обнаружил, что панели на основе микросхем по-прежнему обеспечивают половину прочности и модуля упругости на изгиб по сравнению с высокоэффективными панелями из поперечно перекрещивающихся непрерывных волокон при той же конфигурации волокна и смолы.

Подтверждение концепции

Чтобы продемонстрировать возможности своих безотходных заготовок, изготовленных по индивидуальному заказу, Van Wees провела несколько демонстрационных проектов. Одним из них была балка жесткости / отбойника для внутренних панелей дверей легкового автомобиля. Эти усилия были основаны на проекте Lipa Series, в рамках которого были разработаны легкие композитные детали для серийного производства для различных отраслей промышленности. Ныне бездействующий консорциум, базирующийся в Бюсслингене, Швейцария, основывается на основных технологиях, включающих предварительное формование композитов из органо-листового материала / стекломата и термопласта (GMT) с последующим заполнением армированной волокном смолой в машине для литья под давлением.

Демонстрационная балка Van Wees (деталь, используемая для прохождения нормативов бокового удара / проникновения) была примерно 650 миллиметров в длину, 110 миллиметров в ширину, имела номинальную стенку 3 миллиметра и весила примерно 450 граммов в эталонном материале, который представлял собой трехкомпонентный образец. Армированный миллиметровым стеклотканью PA6. Часть также имела куполообразную структуру в центре высотой 40 миллиметров. Несущая балка из органолиста не обеспечивала достаточного поглощения энергии для удовлетворения требований приложения, поэтому исследователи Van Wees попытались улучшить общую производительность при той же толщине стенки (поскольку использовались существующие инструменты), за время цикла менее одной минуты и с нулевыми отходами. .

Работая с несколькими поставщиками полимеров, Van Wees самостоятельно производила ленты UD с использованием нескольких полимеров и армирующих материалов, включая стекловолокно / PA4 / 10, стекловолокно / PP, углеродное волокно / PP и стекло + углеродное волокно / PP. Поставщики смолы производили подходящие компаунды для литья под давлением коротких волокон. Моделирование использовалось для оценки количества и ориентации отдельных слоев UD для заданных заготовок, чтобы соответствовать или превосходить требования к характеристикам. Затем ленты были использованы для производства многослойных материалов из непрерывного волокна, из которых были изготовлены противоударные балки. Результаты компьютерной инженерии (CAE) показали, что заготовки из стекловолокна / PA4 / 10 будут обеспечивать лучшие свойства при более низкой стоимости, чем ткань / органолист, и физические испытания подтвердили это.

Для дальнейшего изучения возможностей сокращения отходов и затрат исследователи повторно использовали отходы (примерно 30 процентов потерь при резке), образующиеся при производстве многослойных материалов с непрерывным волокном, для создания ударных балок, переработали этот материал в многослойные материалы на основе стружки толщиной 1 миллиметр и использовали этот продукт. в качестве основного слоя (заменяющего три слоя UD) между «обшивками» из большего количества материала UD, сделанного на многоосном станке UD. Интересно отметить, что в предварительных испытаниях с ограниченным размером образца они практически не заметили потери характеристик гибридных ламинатов с сочетанием непрерывного и прерывистого армирования по сравнению с полностью непрерывно армированными ламинатами.

Дополнительные расчеты, проведенные командой, показали, что можно будет достичь поставленных Van Wees производственных целей в 2 миллиона аварийных балок в год, используя 1-минутный процесс повторного формования композитных материалов, разработанный командой Lipa Series. Учитывая скорость, с которой работают линии производства индивидуальных заготовок Van Wees (1800 заплат в час на мультиаксиальной машине UD и 1260 заплат в час на машине crossply), добавление дополнительного оборудования для переработки лома в ламинат на основе стружки приведет к нулевому результату. -отходы производственной системы и увеличение объемов производства на 30 процентов до 2,6 миллиона деталей в год. По иронии судьбы термопластавтоматы будут ограничивать скорость производства в этой производственной цепочке, что случается нечасто.

Еще один стремительный проект, осуществленный исследователями компании, заключался в разработке дверных ручек с композитным покрытием для конференц-зала в штаб-квартире Van Wees. Окончательные композитные вставки были доступны участникам для просмотра на прошлогодней конференции Composites Overmolding.

«Совместное развитие и инновации - движущие силы современной промышленности», - отмечает Риен ван ден Акер, директор Van Wees. «Мы считаем, что совместное развитие со всеми участниками композитной сети представляет первоочередной интерес. Металлы являются конкурентами нашей отрасли и производятся наиболее рационально. Следовательно, только с помощью интеллектуальных процессов и оборудования мы сможем внедрить легкие композитные продукты в массовые приложения ». Он подчеркивает, что потребуются совместные усилия участников цепочки поставок, чтобы сделать возможным безотходное производство термореактивных и термопластичных композитных деталей. «Van Wees рад помочь заинтересованным сторонам в разработке продуктов и процессов», - добавляет он.