Решение ключевых проблем лазерной ленточной намотки термопластиковых композитов

Термопластиковые композиты (TPC) последнее время активно продвигаются благодаря высокому потенциалу повышения темпов производства и снижения веса. Одной из самых обсуждаемых тем для роста темпов с TPC является in-situ консолидация (ISC) при автоматизированном размещении волокна и ленты (AFP/ATP).

ISC впервые демонстрировалась на ограниченных структурах (трубы) и продолжает предлагать большой потенциал для переобмотанных сосудов под давлением и резервуаров хранения. Такие структуры производятся лазерной ленточной намоткой (LATW), включающей лазерную ленточную укладку (LATP) и вращающийся ман드рель (Рис. 1).

Голова AFP/ATP установлена на 6-осевом CNC-роботе и использует лазер для нагрева входящей ленты и подложки до плавления термопластика. Лента затем прижимается роликом к подложке для межслойной адгезии и консолидации.

Стратегии первого слоя

Как в любом аддитивном процессе, первый слой в LATW — проблема. Для трубы на металлическом мандреле (предпочтительно алюминий) нужно учитывать извлечение мандреля после намотки и наносить отделитель.

Еще один аспект — фиксация. Если кольцевая намотка применяется к первому слою (против спиралевидной или осевой, Рис. 2), клейкая лента вручную наклеивается в начале и конце хода для стабильности и адгезии к входящей ленте. Если нужна спиралевидная или осевая укладка, то полные кольца ленты наносятся и фиксируются на краях цилиндра клейкой лентой для предотвращения скольжения.

Для сосуда типа IV (пластиковый лайнер с углеродно-композитной перемоткой) или при перемотке пластиковой трубы входящая лента плавится к лайнеру. Это устраняет нужду в клейкой ленте для фиксации, но пластиковый лайнер и TPC-лента должны иметь тот же базовый полимер для правильного сцепления.

Проблемы могут возникнуть с нагревом пластикового лайнера. Например, если он не поглощает лазерный нагрев, или используется металлический мандрель, рассмотрите изменение угла лазера для полного нагрева входящей ленты. То есть, вместо типичного позиционирования, когда лазер распределяется между входящей лентой и подложкой (Рис. 1), наклоните лазер больше в сторону ленты. Это избежит отражений лазера, обеспечит более равномерный нагрев ленты и снизит энергопотребление.

Распределение лазера меняется с углом укладки или изменением геометрии

Как описано, обычно при LATP и LATW лазер распределяется между входящей лентой и подложкой. Это распределение постоянно, если радиус геометрии и направление укладки постоянны. Есть нюансы. Например, при осевой укладке на трубчатом мандреле (примерно эквивалентно плоской форме на Рис. 3) входящая лента получает то же излучение, что и при кольцевой укладке, а подложка получает больше лазерной проекции, чем при кольцевой. Примечание: это пренебрежимо мало в трубах большого диаметра.

При нагреве термопластиковая лента растягивается и становится шире и тоньше в зависимости от температуры и скорости укладки (времени нагрева) из-за снижения вязкости полимера. В системе с замкнутым контуром по температуре — осевая укладка даст более широкую ленту, чем кольцевая. В системе с постоянной мощностью — осевая укладка развивается при более низких температурах, лента расширяется меньше. Это важно понимать и адресовать, так как неравномерные изменения размеров ленты могут вызвать нежелательные зазоры и перекрытия, увеличивая пористость.

При намотке труб радиус геометрии постоянный, но меняется при намотке сосудов под давлением из-за торцевых куполов. Входя в купола или выходя из них, робот замедляется и размер лазерного пятна на подложке уменьшается. Оба действия могут вызвать резкий скачок температуры, что может привести к более тонким участкам, изменению свойств материала или даже повреждению полимера.

Другой нюанс: по мере накопления волокнистых слоев при намотке размеры наматываемого ядра (мандрель + слои доселе) меняются. Угл укладки нужно корректировать для избежания зазоров. Система LATP/LATW со софтом, обновляющим диаметр мандреля, может быть доступна у некоторых поставщиков. Если нет — намотку придется инспектировать вручную или инлайн-системой и корректировать.

Хотя адресация вышеуказанных соображений помогает, 100% устранение дефектов (зазоры, перекрытия, вариации толщины) невозможно. Намоточный процесс должен разрабатываться для достижения допусков конструкции детали, а не преследования «идеальной детали», что может добавить лишних затрат.

Максимизация механических свойств, межслойной адгезии и кристалличности

Тепловое управление — ключевой фактор для адекватной межслойной адгезии и полного потенциала кристалличности в термопластиковой матрице. Первые слои близки к мандрелю, который действует как тепловой поглотитель. Это может препятствовать молекулярной интердиффузии и способствовать плохой межслойной адгезии, низкой кристалличности и более высокой пористости. Для преодоления: снизить скорость укладки, повысить температуру, скорректировать угол лазера для более длительного нагрева и обеспечения молекулярной диффузии.

Это не гарантирует полную кристалличность. Молекулярная диффузия — реформирование молекулярных переплетений после плавления при охлаждении — гораздо быстрее кристаллизации, где молекулы выстраиваются в упорядоченную кристаллическую структуру. Если деталь тонкая (примерно менее 2 мм), ожидается более низкая кристалличность, чем для толстой, получающей больше проходов консолидации и меньшие теплопотери к мандрелю. Для и тонких, и толстых деталей рассмотрите более низкие скорости укладки для начальных слоев.

Для достижения полной кристалличности:

• После намотки отжиг (heat soak) при температуре между Tg (температура стекловидения) и Tm (температура плавления) термопластиковой матрицы. Эмпирически: середина между ними дает быстреешую кинетику кристаллизации.
• Использовать нагретый мандрель для поддержки кристалличности начальных слоев. Не всегда возможно и может быть дороже. Если используется — учитывайте термическое расширение мандреля.
• Программировать проходы консолидации — то есть намотку без входящей ленты, но с лазером, полностью проецируемым на подложку. В основном на поздних слоях, получающих меньше проходов, но можно и на первых для улучшения межслойной адгезии.

Размеры ленты — гибкость дизайна и темпы производства

Размеры ленты — критичный параметр ленточной намотки. Очевидно, постоянная ширина и толщина от поставщика дают повторяемую и равномерную продукцию. Но размеры ленты также определяют гибкость дизайна. Например, при осевой укладке на трубчатом мандреле ширина ленты должна быть достаточно узкой для соответствия кривизне мандреля. Чем больше диаметр мандреля, тем шире лента может быть. Шире лента — выше пропускная способность, уже — более дизайн-френдли, более податлива к изменению кривизны и легче управляема.

Хотя проблем с LATW больше, хорошие детали возможны, и этот метод производства будет развиваться по мере использования композитных труб и баков для хранения водорода и других газов.

Об авторе

Ехиэль Шахам

Ехиэль Шахам — инженер по пластикам и полимерам с почти 12-летним опытом разработки и производства термопластиков в ведущих израильских пластиковых и оборонных компаниях. В 2016–2020 гг. — ведущий инженер термопластиковых композитов (TPC) в RAFAEL, специализировался на TP-AFP. Сейчас стремится продвигать TPC в израильской промышленности.