Komponenty na báze pásky UD v krátkom čase cyklu
Procesná technológia pre konsolidáciu
vysoko výkonné termoplastické vlákno-
pripojené (pásky UD) na základe
vo Fraunhoferi sa IKT vyvinuli strašne-
Pľúcna indukovaná vákuová konsolidácia (Zdroj obrázku: Fraunhofer ICT)
Na základe vákua konsolidovaného žiarením vyvinul Fraunhofer ICT spolu s výrobcom systému Dieffenbacher priemyselný systém Fibercon, ktorý dopĺňa technológiu kladenia termoplastických pások Fiberforge o konsolidáciu polotovarov. Tento výrobný krok sa doteraz tradične uskutočňoval energeticky náročným a nákladným, kontinuálnym alebo diskontinuálnym lisovacím procesom, napríklad dvojitým pásovým lisom alebo intervalovým lisom za tepla. Vedci z Fraunhofer ICT už v roku 2012 zistili, že tento proces predstavuje prekážku v procesnom reťazci pre termoplastické pásky. V rámci úplne nového vývojového prístupu bolo vyvinuté riešenie s vákuovou konsolidáciou vyvolanou žiarením.
Procesná reťaz pre kladenie termoplastickej pásky
Tepelná degradácia uvedená v
Chudnutie jeden
Pásová tkanina z polyamidu 6, ktorá sa zahrieva na rôzne procesné teploty v inertnej atmosfére a na vzduchu. (Zdroj obrázku: Fraunhofer ICT)
Jednou z hlavných oblastí výskumu ústavu je vývoj procesov pre úsporné ľahké konštrukcie. Okrem optimalizácie zavedených procesov sú spochybňované aj kompletné procesné reťazce, ktoré sú na základe súčasného stavu výskumu prehodnotené. Reťazec procesu kladenia termoplastickej pásky je počnúc páskami UD rozdelený do troch jednotlivých krokov procesu: kladenie pásky, konsolidácia a proces finálnej súčasti, ako je formovanie a funkcionalizácia konsolidovanej textílie pri hybridnom formovaní. Kompletný procesný reťazec vhodný pre štandardné aj vysokoteplotné termoplasty je k dispozícii vo Fraunhoferovom inštitúte v Pfinztale.
Rozhodujúci je čas a kvalita cyklu
Tabuľka 1: Výhody pri spracovaní UD pások v porovnaní s organickými listami (Zdroj obrázku: Fraunhofer ICT)
Pre prvý krok, ktorým je páska, sú na trhu v zásade rôzne technologické technológie. V súvislosti s veľkovýrobou je však okrem presnosti kladenia rozhodujúci aj čas cyklu. Vďaka technológii ukladania termoplastických pások Fiberforge má Frauhofer ICT svetovo najrýchlejší systém kladenia pások. Na mieru vyrobené gélové lamináty (polotovary na mieru), ktoré je možné vyrobiť pomocou tejto technológie, ponúkajú oproti v súčasnosti používaným tkaným polotovarom rôzne výhody. Zatiaľ čo orientácia vlákien počas tkania je fixovaná na 0 ° a 90 ° smermi osnovy a útku, pásky UD môžu byť zarovnané s cestou zaťaženia podľa hlavných ciest zaťaženia v akejkoľvek orientácii vlákien pomocou spôsobu kladenia pásky. Naviac ukladanie pások vo vrstvách nevedie k zvlneniu vlákien, čo znamená, že je možné využiť celý mechanický potenciál vlákien v polotovare. Položením jednotlivých pások pásky UD je tiež možné vytvoriť polotovar v tvare takmer čistej siete, čím sa minimalizuje plytvanie materiálom a vo výsledku aj náklady na komponenty.
Radiačne indukovaná vákuová konsolidácia
Schematický proces-
postup pre ožarovanie-
indukovaná vákuová konsolidácia. (Zdroj obrázku: Fraunhofer ICT)
V súlade s týmito cieľmi vyvinutý proces využíva podtlak na zvýšenie tlaku a infračervené žiarenie na vykurovanie. To znamená, že materiál je možné v chránenej atmosfére ohrievať a lisovať jemne, priamo a rýchlo. Všeobecný procesný tok prebieha v piatich krokoch. Najskôr sa polotovar na mieru umiestni medzi dve polovice nástroja, ktoré sú priehľadné pre infračervené žiarenie. Vákuum sa potom vytvára a udržuje počas celého procesu až po odstránenie komponentov. Vzduch zachytený medzi jednotlivými vrstvami je už evakuovaný a nemôže zostať ako vzduchový uzáver v spevnenej tkanine. Keď sa materiál zmení na roztavený stav, môže uniknúť aj vzduch zachytený pri výrobe pásky, čo znamená, že obsah pórov sa môže ďalej znižovať.
Po dosiahnutí cieľovej teploty sa materiál ochladí a spevnený slepý polotovar sa dá odstrániť. Tu je možné predčasne prerušiť chladiaci proces, aby sa zostávajúce teplo v materiáli využilo na ohrev v následnom hybridnom formovaní. Vďaka špeciálnemu povlaku na poloviciach formy je tiež možné konsolidovať väčšinu termoplastov bez uvoľňovania prostriedkov. Okrem krátkeho času cyklu je to čoraz viac ústredná požiadavka na automatizované ďalšie spracovanie pri spájaní a na funkcionalizáciu pri hybridnom formovaní.
Príklad zlej distribúcie vlákien v komerčnej páske UD (vľavo) a zlej kvality impregnácie jednotlivých páskových pásikov v spevnenej tkanine (vpravo) (zdroj obrázku: Fraunhofer ICT)
Výhody vyvinutého procesu spočívajú aj v nízkych investíciách, zníženom premiestňovaní vlákien v dôsledku nízkych procesných tlakov a konsolidácii bez kyslíka. Špeciálne na tento účel sa v ústave uskutočňovali výskumy tepelnej degradácie vrstiev pásky na báze polyamidu 6 ako funkcie teploty procesu. Iné procesy niekedy vyžadujú vyššie teploty procesu, aby sa kompenzoval napríklad prenos a s tým spojené chladenie. Pretože tepelné straty v konsolidácii vákua vyvolanej žiarením sú vďaka tepelnej izolácii minimálne, teplota procesu je len mierne nad teplotou topenia.
Spolu s Dieffenbacherom bolo možné previesť vyvinutý proces na proces vhodný pre veľkovýrobu. Systémová technológia eliminuje úzke miesto v procesnom reťazci od pásky po finálnu zložku termoplastického vlákna. Reťazec procesov je teraz k dispozícii na spoločné použitie vo výskumných a vývojových projektoch. Okrem systémovej technológie vhodnej pre veľkovýrobu ponúka Fraunhofer ICT v spolupráci s ďalšími partnermi aj podporu špecifickú pre proces pri návrhu komponentov a simulatívnom návrhu.
O autorovi
Tobias Link
od roku 2015 pracuje ako výskumný asistent v oblasti výrobkov na spracovanie termoplastov na Fraunhoferovom inštitúte pre chemickú technológiu, Pfinztal.