Понимание техник распределения тока в производстве композитов

Когда основная статья «Распространение распределенного тока» шла в печать, этот боковой материал был совсем иным, говорящим в основном о том, как много мы не знаем о том, как ток распределяется. И тут я наткнулся на статью в информационном бюллетене AZL NewsLIGHT #7: ITA под названием «Новый ультразвуковой процесс распределения для обработки усиливающих токов». Оказалось, что Институт текстильной техники (ITA) при РВТХ Аахенском университете (Аахен, Германия) изучает методы распределения тока с 2011 года. «Мы начали тестировать все различные методы распределения тока в ленту и провели много исследований влияющих факторов каждого и как их оптимизировать», — говорит Вилко Хаппх, руководитель исследовательской группы «Ленты» в подразделении композитов ITA. В результате ITA разработала новую технологию, обеспечивающую высокоскоростное производство — до 100 м/мин — распределенной ленты с гораздо меньшим разбросом в ширине благодаря интегрированному контролю. ITA называет эту технологию AutoTow.

Понимание техник распределения тока

ITA начала исследования в погоне за лентой. «Мы видели, что тканые и несковорода ткани давали значительные отходы при раскрое и не позволяли оптимизированным дизайнам», — вспоминает Хаппх. «Поскольку волокна не все направлены в направлении нагрузок, волокно тратится впустую». Таким образом, его команда начала смотреть на автоматизированную укладку ленты, но тогда был и дефицит поставок ленты, и знаний, — говорит Хаппх. «Поэтому мы сделали свою, выбрав разработку сухих волокнистых лент с биндером». Для этого им сначала пришлось понять распределение.

Хаппх описывает три основных метода распределения ровнинга в более широкие тонкие ленты:

1. Волокон через распределительные бары с высоким натяжением.
2. Воздушное распределение с использованием щелевого сопла.
3. Применение ультразвуковой или другой вибрации к волокнам.

Технологии распределения и параметры процесса

Распределительные бары, кажется, старейший и базовый метод, использованный в патенте 2001 года производителя углеродного волокна Zoltek. Хаппх отмечает, что поставщик оборудования Karl Mayer также полагался на распределительные бары в своих машинах для ленты и ткани из распределенного тока. «Проблема этого метода в том, что он ограничивает скорость производства 25 м/мин», — говорит он. «Если пытаться идти выше, трение слишком высокое и повреждает филаменты ровнинга. Распределение барами также ограничено максимальной шириной. Можно распределить ровнинг максимум в 3 раза от исходной ширины».

Воздушное распределение, говорит Хаппх, используется, когда нужна максимальная ширина распределения для более низкой поверхностной плотности. «Поток воздуха разделяет филаменты и позволяет распределить до 6–7 раз исходной ширины ровнинга с гораздо меньшим повреждением филаментов, так как трение меньше», — объясняет он. «Нет вытягивания волокна по барам с высоким натяжением».

Однако есть ограничение в зависимости от размера, нанесенного на стекловолокно или углеродное волокно. Хаппх объясняет: «Волокно, срайбированное для эпоксидных и других термореактивных смол, может быть липким, так что воздушный процесс не может легко разделить филаменты». В этом случае может потребоваться предпроцесс для разрыва срайба. Однако срайб, совместимый с термопластичными матричными смолами, который также термопластичный, совсем не липкий и ведет себя почти как не срайбированное волокно. То есть нет межфиламентного сцепления. «Так что это легко распределить, но трудно обрабатывать, потому что оно рассыпается», — отмечает Хаппх.

Ультразвуковое распределение использует тот же базовый принцип, что и распределительные бары, но с полуцилиндрическими сонотродами, которые, отмечает Хаппх, «передают много энергии. Ровнинг обматывает сонотроды, и при приложении ультразвука филаменты вибрируют и оседают на поверхности, распределяясь». Этот метод может дать более высокие коэффициенты распределения (то есть более крупный ток распределяется в очень тонкие широкие ленты), но не может использоваться со стекловолокном или пичевым углеродным волокном, потому что они слишком хрупкие и ломаются.

«Можно также использовать механически индуцированную вибрацию более низкой частоты», — говорит Хаппх, «и тепло можно использовать для размягчения срайба волокна, позволяя филаментам двигаться легче».

AutoTow

ITA разработала AutoTow для преодоления проблем этих базовых методов распределения. Хаппх отмечает, что Тape Center работает в основном с 24K, 50K и 60K током (который, как он отмечает, от Mitsubishi), потому что эффекты распределения самые высокие. «Мы можем достичь более высоких скоростей производства до 100 м/мин, потому что можем вращать отдельные распределительные бары до 80 м/мин», — объясняет он. «Таким образом, относительная скорость 20 м/мин, что хорошо для распределения без повреждения филаментов».

Хаппх указывает, что поскольку входной ровнинг/ток имеет вариации, ширина выходного распределенного тока также варьируется. «С препрег-лентами поставщики просто срезают края. Но мы начали с сухой биндерной ленты, в которой гораздо меньше смолы, поэтому резать края слишком трудно». Команда Хаппха поняла, что им нужно лучшее средство контроля ширины распределения.

«Мы используем камеры для измерения ширины на входе и выходе распределителя», — объясняет он. «Алгоритм использует это измерение ширины, скорость процесса и известные факторы о каждом материале для расчета и контроля скорости каждого из 5 вращающихся баранов для непрерывной корректировки ширины ленты. Мы можем снизить вариацию до менее 1 миллиметра».

«Мы также можем корректировать угол обмотки ровнинга вокруг каждого распределительного барана», — продолжает Хаппх, «но не в реальном времени». Так что это больше похоже на калибровку для каждой производственной партии. «Все остальное делается в линию», — утверждает он. «Если хотите перейти от 25 мм к 30 мм в ширине распределенного тока, просто введите это число и в течение нескольких секунд оно изменится во время производства, даже на высокой скорости, даже 100 м/мин».

Будущее развитие

Цель ITA Tape Center — иметь полный процессный цепочку ленты для поддержки индустриального развития. «Наша цель — привлечь промышленных партнеров для разработки новых решений для них», — объясняет Хаппх. «Мы в процессе строительства линии производства ленты и линии производства деталей. Хотим иметь все операции: срайбирование, распределение, производство ленты, автоматизированную укладку ленты и отверждение». Он говорит, ITA никогда не будет поставщиком станков или изготовителем деталей. «Мы хотим достичь производства легких тонкоплойных деталей, потому что видели: чем тоньше слои, тем выше механические свойства. Теперь, когда мы можем производить сухие биндерные ленты на высоких скоростях и высоком уровне качества, наша цель — снизить поверхностную плотность и далее производить термопластичные и термореактивные препрег ленты».

Так как ITA Tape Center определил производственное пространство для процессов распределения тока и их параметров, он также разработал значительные знания о влиянии срайба волокна и биндера ленты. «У нас есть поставщики, которые хотят тестировать разные рецепты срайба, чтобы увидеть, что лучше для распределения», — говорит Хаппх.

Для материалов биндера он подчеркивает, что самый важный фактор — совместимость с матричной смолой. «Термореактивный биндер даст наивысшие свойства для термореактивной матрицы». Точно так же для термопластичной матрицы биндер должен быть термопластичным и может наноситься порошком, вуалью или горячим расплавом. Последние два позволяют очень быстрое нанесение и дают высокую стабильность ленте, но Хаппх отмечает, что вуаль даст несколько более высокое содержание биндера. Это может быть желательно или нет в зависимости от проектирования детали и технологических соображений. Исследования параметров биндера и их влияния на конечные детали продолжатся по мере построения ITA полной процессной цепочки.