Prepreg presavimo būdu gaminamos aukštos kokybės anglies pluošto kompozicinės dalys, pasižyminčios tiksliu pluošto išdėstymu, pastoviu dervos kiekiu ir pakartojamomis mechaninėmis savybėmis. Skirtingai nuo šlapiojo formavimo, kai derva ir pluoštas sujungiami ant įrankio, prepreg derva jau yra impregnuota į armatūrą, todėl gamintojai gali tiksliai kontroliuoti pluošto ir dervos santykį. Šiame straipsnyje aptariami svarbiausi proceso parametrai, įrankių pasirinkimas, tvarkymo procedūros ir defektų prevencijos strategijos, reikalingos gaminant aviacijos ir pramoninės klasės anglies pluošto dalis naudojant prepreg presavimo būdu.
Pagrindiniai prepreginio suspaudimo liejimo proceso parametrai
Kiekviena prepreg sistema turi gamintojo nurodytą kietėjimo langą. Nukrypus už šio lango ribų, dalys sukietėja nepakankamai (minkštos, žema Tg) arba per daug (trapios, suirusios). Trys tarpusavyje susiję kintamieji yra temperatūra, slėgis ir laikymo laikas.
| Parametras | Tipiškas diapazonas | Poveikis detalės kokybei |
|---|---|---|
| Kietėjimo temperatūra | 120-180 ° C | Skatina skersinių jungčių tankį; per mažas = nepilnas sukietėjimas, per didelis = dervos irimas |
| Temperatūros pakilimo greitis | 1–5 °C/min. | Greita rampa sukelia egzoterminį išsiveržimą storuose laminatuose; lėta rampa pailgina ciklo laiką |
| Liejimo slėgis | 3–10 barų (0.3–1.0 MPa) | Sutankina sluoksnius, sumažina tuštumų susidarymą; per didelis slėgis išspaudžia dervą |
| Užlaikymo (sulaikymo) laikas | 30–120 min. (priklausomai nuo storio) | Užtikrina visišką susijungimą; DSC skenavimas patvirtina ≥ 98 % sukietėjimo laipsnį |
| Atvėsimo greitis | ≤ 3 °C/min | Kontroliuoja liekamąjį įtempį ir deformaciją; per greitas = didelis vidinis įtempis |
Dažna klaida – laikyti presą uždarytą aušinimo metu, palaipsniui nesumažinant slėgio. Dėl to laminate gali atsirasti terminis įtempis. Epoksidinių dervų pagrindu pagaminto anglies pluošto preprego deformacijai sumažinti reikalingas laipsniškas aušinimas – nuo 180 °C iki 100 °C 2 °C/min greičiu, esant slėgiui, o tada slėgio sumažinimas esant žemesnei nei 80 °C temperatūrai – sumažina deformaciją.
Įrankių projektavimas ir medžiagų parinkimas
Įrankis (forma) turi atlaikyti pakartotinius terminius ciklus 180 °C temperatūroje be deformacijos, išlaikyti matmenų tikslumą ir užtikrinti vienodą šilumos perdavimą. Prepregų suspaudimo įrankiuose dominuoja trys medžiagos:
- Plienas (P20, H13): Geriausiai tinka didelių apimčių gamybai. P20 plienas yra iš anksto grūdintas iki 30–36 HRC ir kainuoja 40–60 % mažiau nei H13. H13 yra atsparus terminiam nuovargiui ≥ 175 °C temperatūroje ir yra tinkamesnis 5,000+ ciklų formoms.
- Aliuminis (7075-T6, 6061): Įkaista ir atvėsta 3–4 kartus greičiau nei plienas, todėl sutrumpėja ciklo laikas. Naudojamas prototipų gamybai ir mažo bei vidutinio tiražo partijoms (500–2,000 detalių). Paviršiaus kietumas yra mažesnis, todėl aliuminio liejimo formoms reikalingas kietas anodavimas (60–70 HRC danga), kad jos būtų atsparesnės dilimui.
- Nikelio-apvalkalo kompozitas (kirksito variantai): Naudojamas sudėtingoms geometrijoms su siaurais grimzlės kampais. Mažesnės kapitalo sąnaudos, bet trumpesnis įrankio tarnavimo laikas (200–500 dalių).
Medžiagų tvarkymo ir surinkimo procedūra
Anglies pluošto prepregas yra šaldytuve laikoma medžiaga, kurios galiojimo laikas ribotas. Nebetinkamas naudoti prepregas praranda lipnumą ir susidaro porėtos dalys. Tvarkymo eiga atitinka griežtus laiko ir temperatūros intervalus.
| Etapas | Reikalavimas | Pasekmės pažeidimo atveju |
|---|---|---|
| saugojimas | −18 °C (šaldiklis); sandariai uždarytame drėgmei atspariame maišelyje | Prieš kietėjimą pagreitėja; sumažėja lipnumas ir tekėjimas |
| Atšildymas (išėjimo laikas) | 24 val. sandariame maišelyje kambario temperatūroje (23 °C) | Kondensatas ant šalto preprego = vanduo laminate |
| Gyvenimo laikas (planavimo langas) | ≤ 10 dienų esant 23 °C (nurodyta gamintojo) | Derva juda į priekį; sluoksniai praranda lipnumą, tarpsluoksnis susilpnėja |
| Debulkas po išklotinės | Pilnas vakuumas (−0.95 baro) 30–60 min. | Įstrigęs oras sukuria tuštumas > 2% tūrio |
Masės mažinimas yra vienas iš labiausiai neįvertinamų etapų. 30 minučių trukmės vakuuminis masės mažinimas tarp 3–4 sluoksnių pašalina įstrigusius orus ir sutvirtina sluoksnį, ypač sluoksnių nuolydžiuose ir spinduliuose. Masės mažinimo praleidimas yra dažniausia vidinių tuštumų priežastis presavimo būdu pagamintuose prepreguose.
Dažni defektai ir jų priežastys
| Defektas | Pagrindinė priežastis | Sprendimas |
|---|---|---|
| Poringumas / tuštumų kiekis > 2% | Nepakankamas išleidimas, žemas slėgis, dujų išleidimas iš išleidimo įtaiso | Pridėkite vakuuminį masės mažinimo etapą; padidinkite slėgį ore; naudokite perforuotą apsauginę plėvelę |
| Raukšlėtos skaidulos | Sluoksnių slydimas preso uždarymo metu, per didelis slėgis | Sumažinkite uždarymo greitį; prieš spausdami iki galo, pritaikykite kontaktinį slėgį |
| Žemas Tg (žemiau specifikacijos) | Nepakankamas sukietėjimas – nepakankama temperatūra arba nepakankamas išlaikymo laikas | Kietėjimo ciklo patvirtinimas DSC metodu; pailginkite laikymo laiką 15–20 % |
| Paviršiaus įdubimas | Lakiosios medžiagos įstrigusios ant įrankio paviršiaus, prasta įrankio paviršiaus apdaila | Nupoliruokite įrankį iki Ra ≤ 0.4 μm; užtepkite formos sandariklio; padidinkite pradinį slėgį |
| Dervomis turtingos / dervų stokojančios sritys | Nevienodas slėgio pasiskirstymas, susidėvėję įrankiai | Patikrinkite preso lygiagretumą (± 0.05 mm); naudokite silikoninės gumos kompensatorius |
| Deformacija po išardymo | Asimetriškas aušinimas, nesubalansuotas laminatų klojimas | Simetriškas išdėstymas ([0/90]s); prieš išleidžiant slėgį atvėsinkite iki < 80 °C |
Kokybės kontrolė ir procesų patvirtinimas
Prepreginio liejimo kokybės kontrolė apima tris etapus: gaunamų medžiagų patikrą, proceso stebėseną ir galutinių dalių bandymą. Kiekvienai CFRP konstrukcinių dalių, skirtų aviacijos ir kosmoso ar automobilių saugos reikmėms, partijai turi būti atsekama dokumentacija.
| QC etapas | Bandymo metodas | Priėmimo kriterijai |
|---|---|---|
| Gaunamas prepregas | DSC (diferencinė skenuojanti kalorimetrija) | Dervos pakitimas ≤ 5 % nuo gamintojo bazinės vertės |
| Išdėstymas (proceso metu) | Ultragarsinis C skenavimas arba bakstelėjimo testas | Nėra delaminacijos; porų kiekis < 2% pagal ASTM D3171 |
| Kietėjimo ciklo patvirtinimas | Termoelementas, įdėtas į laminatą | Faktinė temperatūra viso laikymo laiko metu skiriasi nuo nustatytos vertės ± 5 °C tikslumu |
| Paskutinė dalis – mechaninė | 3 taškų lenkimas (ASTM D790) | Lenkimo stipris ≥ 90 % kupono vertės |
| Paskutinė dalis – terminė | DSC ir DMA | Tg ≥ gamintojo specifikacija; kietėjimas ≥ 98 % |
| Paskutinė dalis – matmenų | KMM (koordinatinis matavimo įrenginys) | Visos savybės neviršija spausdinimo tolerancijos (įprastai ± 0.2 mm) |
Proceso pajėgumas stebimas pagal Cp ir Cpk indeksus, tokius kaip pagrindinės charakteristikos, pvz., sukietėjusio sluoksnio storis ir detalės svoris. Cp ≥ 1.33 yra pramonės bazinis lygis produkcijos išleidimui.
DUK
Kuo skiriasi prepreg presavimo formavimas ir šlapias formavimas?
Liejant prepregą suspaudžiamuoju būdu, derva jau yra impregnuojama į anglies pluošto armatūrą preprego gamintojo kontroliuojamomis sąlygomis. Tai leidžia gauti tikslias, pakartojamas pluošto tūrio dalis (55–65 %) ir pastovų dervos kiekį. Šlapiojo formavimo metu operatorius turi dervą užtepti rankiniu būdu, todėl pluošto tūris (paprastai 30–50 %) ir mechaninės savybės skiriasi labiau.
Kiek laiko galima laikyti anglies pluošto prepregą prieš naudojimą?
Standartinio epoksidinio preprego galiojimo laikas yra 6–12 mėnesių esant −18 °C temperatūrai ir paprastai 10–30 dienų esant 23 °C temperatūrai, priklausomai nuo dervos sistemos. Aukštos temperatūros sistemos (kietėjimas 180 °C temperatūroje) paprastai turi trumpesnį tarnavimo laiką. Visada patikrinkite gamintojo duomenų lapą ir atlikite DSC patikrinimą, jei medžiaga artėja prie savo galiojimo pabaigos ribos.
Ar prepreg presavimo formavimas gali būti atliekamas be autoklavo?
Taip. Vakuuminių maišelių (VBO) prepregų sistemos yra skirtos kietinimui krosnyje tik vakuuminiame slėgyje (0.95 baro). Norint gauti didesnį pluošto tūrį ir mažesnį porų kiekį, šildomas hidraulinis presas užtikrina tiek slėgio, tiek temperatūros valdymą, nereikalaujant autoklamo. Presuotomis formomis pagamintų prepregų dalių porų kiekis gali būti mažesnis nei 1 %, kai proceso parametrai optimizuojami.
Kokia įrankių medžiaga geriausiai tinka didelio masto prepreg gamybai?
Gamybos partijoms, viršijančioms 5,000 dalių, rekomenduojama naudoti H13 plieno įrankius. Jie išlaiko matmenų stabilumą pasikartojančių terminių ciklų metu ir yra atsparūs paviršiaus dilimui. Mažesniems kiekiams (500–2,000 dalių) 7075-T6 aliuminis su kietuoju anodavimu siūlo greitesnį ciklo laiką už mažesnę įrankių kainą.
Kodėl prepreginės detalės kartais turi paviršiaus poringumą?
Paviršiaus poringumas paprastai atsiranda dėl lakiųjų medžiagų (drėgmės arba oro), patekusių tarp prepreg sluoksnių ir įrankio paviršiaus. Sprendimai apima: tinkamą vakuuminį pašalinimą (30+ min.), perforuotos apsauginės plėvelės naudojimą dujoms išeiti, prepreg visiško atšildymo patikrinimą prieš klojant ir įrankio paviršiaus švaros bei sandarumo užtikrinimą.
Norėdami išsamiau palyginti prepregą su šlapiuoju būdu sluoksniuotu anglies pluošto gamyboje, perskaitykite mūsų palyginimo vadovą: Prepreg ir šlapias klojimas: kuris procesas geresnis jūsų anglies pluošto projektui?
Daugiau informacijos apie procesų optimizavimą žr. „CompositesWorld“ prepreginio presavimo liejimo pagrindų vadovas.
Standartai ir nuorodos
Šiame straipsnyje pateikiami šie pramonės standartai:
