Eine neue Technik zur Konsolidierung Druck auf die Vakuum-Beutel-Lay-up, zusammengesetzte Laminate zu fabrizieren ist beschrieben. Das Ziel dieses Protokolls ist es, eine einfache und kostengünstige Technik zur Verbesserung der Qualität von Laminaten hergestellt durch die nasse Lay-up-Vakuum-Beutel-Methode zu entwickeln.
Diese Arbeit zeigt ein Protokoll zur Verbesserung der Qualität der zusammengesetzte Laminate von nass-Lay-up Vakuumbeutel Prozesse mit Hilfe das neu entwickelten Magnet assistierten Composite Herstellungstechnik (MACM) hergestellt. Bei dieser Technik werden Permanent-Magnete genutzt, um ein ausreichend hoher Konsolidierungsdruck während der Aushärtung Bühne anwenden. Um die Intensität des magnetischen Feldes zu verbessern und somit um die magnetische Verdichtungsdruck zu erhöhen, die Magnete befinden sich auf einer magnetischen Deckplatte. Erstens, das gesamte Verfahren der Vorbereitung der zusammengesetzten Lay-up auf einem magnetischen Boden Stahl Platte verwenden, die der herkömmlichen nass-Lay-up Vakuumsack Prozess beschrieben wird. Zweitens ist die Platzierung eines Satzes von Neodym-Eisen-Bor-Permanent-Magnete, angeordnet in wechselnder Polarität auf den Vakuumbeutel dargestellt. Als nächstes werden die experimentellen Verfahren zur Messung der magnetischen Verdichtung Druck und Volumen Brüche der zusammengesetzte Bestandteile dargestellt. Zu guter Letzt werden Methoden zur Charakterisierung der Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften der zusammengesetzte Laminate ausführlich diskutiert. Die Ergebnisse belegen die Wirksamkeit der MACM Methode in die Verbesserung der Qualität der nasse Lay-up Vakuumbeutel Laminate. Diese Methode erfordert keine großen Investitionen für Werkzeuge oder Geräte und kann auch zur geometrisch komplexe composite-Bauteilen zu konsolidieren, indem Sie den Magneten auf einer passenden Top Form auf den Vakuumbeutel positioniert.
Faserverstärkte Polymerkomposite haben weit verbreitet in der Automobilindustrie1,2, Luft-und3,4, marine5,6und Bau7,8 Branchen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie hohe spezifische Festigkeit, Elastizitätsmodul, günstiges Ermüdungsverhalten und Korrosionsbeständigkeit. Derzeit qualitativ hochwertige zusammengesetzte Laminate sind überwiegend hergestellt, mit Schichten von vorimprägnierten Stoff (Prepreg) geheilt im Autoklav unter erhöhter Temperatur und hoher Konsolidierungsdruck von 0,27-0,69 MPa (40-100 Psi)9. Etwas niedriger Qualität zusammengesetzte Laminate entstehen durch den nassen Lay-up-Prozess, wo eine höhere Konsolidierungsdruck nicht angewendet wird. Dieser Prozess ist arbeitsintensiv und erfordert keine teure Ausrüstung erfolgt durch eine Schicht der trockenen Stoff auf eine Form platzieren und anschließend Anwendung Harz. In den meisten Anwendungen ist eine handgeführte Walze verwendet, um das Harz in die Faserverstärkung und squeeze-out überschüssiges Harz. Diese Abfolge wird wiederholt, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Die Qualität der Laminate durch nasse Lay-up produziert kann erheblich verbessert werden, durch eine Kombination von Vakuum (nasse Lay-up-Vakuum-Beutel-Prozess genannt) und einer zusätzlichen Konsolidierungsdruck im Autoklav während Kur anwenden. Anwendung hoher Konsolidierungsdruck während Kur erleichtert die Harz-Fluss, führt zu einem Anstieg der Volumenanteil der Faser und eine Beseitigung der Hohlräume10,11 führt zu Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Abraham Et al. 12 haben gezeigt, dass qualitativ hochwertige Leinwandbindung E-Glas zusammengesetzte Laminate mit einer hohen Faser Volumenanteil von rund 64 % und niedrige nichtig Volumenanteil von 1,6 % hergestellt werden können, verwenden die nasse Lay-up-Vakuum-Beutel als Konsolidierungsdruck 1,2 MPa ist in einem Autoklaven angewendet.
Hohlräume sind eines der häufigsten Mängel, die bei der Herstellung der zusammengesetzte Laminate gebildet werden. Hohlräume von wenigen µm bis hin zu mehreren Hundert Mikrometern sind in erster Linie aufgrund der eingeschlossenen Luft während Lay-up gebildet, Feuchtigkeit im Harz aufgelöst und flüchtigen Bestandteile während der Kur13,14,15ausgestoßen. Auch sind die Dynamik der Imprägnierung der faserige Verstärkung gefunden haben erhebliche Auswirkungen auf die leere Einklemmung16,17. Es ist allgemein anerkannt, dass das Vorhandensein von Lücken in einem zusammengesetzten Laminat zu einer deutlichen Verringerung der Stärke13,18,19, e-Modul20,21, Fraktur führen kann Zähigkeit22und Müdigkeit Leben23,24 der Laminate. Z. B. Judd und Wright25 festgestellt, dass jede Erhöhung um 1 % in Hohlraumgehalt (bis zu 4 %), führt ein ca. 7 % Rückgang der kurzen trägereigenschaften Scherung. Darüber hinaus fand Ghiorse26 , dass in Carbon/Epoxy Composites für jede 1 % Erhöhung der Hohlraumgehalt, 10 % Ermäßigung im interlaminare Schub- und Biegefestigkeit und eine 5 % ige Reduktion Biege e-Modul angesehen werden können. Darüber hinaus haben die Hohlräume nachteilige Auswirkungen auf Rissbildung und Ausbreitung sowie Feuchtigkeit Absorption27,28. Es ist bekannt, dass die Rate der Feuchtigkeitsaufnahme für Laminate mit höheren nichtig Inhalt größer ist, und die aufgenommene Feuchtigkeit dazu führen, die Verschlechterung der Faser-Matrix-Schnittstelle und minderwertige langfristigen mechanischen Eigenschaften29dass kann, 30,31,32. Daher sollte zur Sicherstellung der Konsistenz der mechanischen Eigenschaften und erreichen die höchste Qualität von zusammengesetzten Erzeugnissen, der Hohlraumgehalt minimiert werden.
Obwohl eine composite Laminat in einem Autoklaven Härtung zuverlässige, qualitativ hochwertige Teile produziert, wäre die Produktkosten hohe Anfangsinvestition und übermäßigen Energieverbrauch. Neben Autoklaven wurden Cure, eine Vielzahl von Techniken wie Vakuum assisted Resin Transfer molding (VARTM) und Quickstep Prozess entwickelt und verwendet, um zusammengesetzte Laminate aus Autoklaven32,33, zu fabrizieren 34 , 35 , 36. jedoch aufgrund des Fehlens einer einheitlichen, hohen Druck, produziert durch diese Methoden häufig Laminate haben geringere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu den im Autoklaven37. Vor kurzem, eine neuartige Technik, die als Magnet assisted Composite manufacturing (MACM) ist, zur Verbesserung der Qualität der nasse Lay-up Vakuumbeutel zusammengesetzte Laminate verwendet worden durch eine Konsolidierungsdruck erzeugt durch eine Reihe von high-Power-permanente bezeichnet Magneten38,39. Die Anwendung dieser Technik wurde dann erweitert, um qualitativ hochwertige, strukturelle zusammengesetzte Laminate aus Autoklav mit Hochtemperatur-Permanent-Magnete40zu produzieren.
In diesem Dokument ist ein Protokoll zur Herstellung von nass-Lay-up Vakuumsack zusammengesetzte Laminate mit MACM Technik vorgestellt. In MACM werden Neodym-Eisen-Bor-Permanent-Magnete genutzt, um ein ausreichend hoher Konsolidierungsdruck während Kur anwenden und somit die Qualität der Laminate. Erstens ist die Herstellung von 6-lagig, Leinwandbindung E-Glas/Epoxy composite-Lay-up auf eine Bodenplatte aus Stahl beschrieben. Dann ist die Anordnung von Permanentmagneten in wechselnder Polarität auf einer oberen Stahlplatte gezeigt, zusammen mit seiner Platzierung auf die Vakuum-Beutel, einen Konsolidierungsdruck auf die composite-Lay-up. Schließlich beschreiben wir die Schritte für die Messung der magnetischen Pressdruck, sowie die Methoden zur Charakterisierung von leere und Faser Volumen Brüchen, Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften der zusammengesetzte Laminate. Die Wirksamkeit des Prozesses MACM wird untersucht, durch die Herstellung nasse Lay-up Vakuumbeutel Laminate gemacht unter magnetische Druck und vergleichen ihre Eigenschaften denen von herkömmlichen nass-Lay-up Vakuum-Beutel ohne Magnete hergestellt. Die Ergebnisse belegen die Fähigkeit der MACM Methode zur Verbesserung der insgesamt Laminat Qualität. Diese Methode ist eine kostengünstige und einfache Möglichkeit der Herstellung von qualitativ hochwertigen Laminate und kann angewendet werden, um große und geometrisch komplexe zusammengesetzte Bauteile mit relativer Leichtigkeit zu fabrizieren.
Die Anwendung von einem hohen Konsolidierungsdruck während der Kur ein composite Laminat ist besonders wichtig für die Herstellung eines qualitativ hochwertigen zusammengesetzten Teil47. Wenn der Druck von außen nicht angewendet wird und das Laminat ist nur unter Vakuum ausgehärtet, wird der letzte Teil in der Regel hohen Hohlraumgehalt, möglicherweise mehr als 5 % nach Volumen und unerwünschte Harz reichen Regionen48enthalten. Hohen Hohlraumgehalt, ballaststoffarme Volumenanteil und Harz reiche Gebiete sind Faktoren, die negative Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der zusammengesetzte Laminate. In dieser Arbeit ist ein experimentelles Protokoll für die Anwendung von hohen Konsolidierungsdruck während der Aushärtung des Laminats in die nasse Lay-up Vakuumbeutel Prozess beschrieben29. Bei dieser Technik wird zuerst, die composite-Lay-up auf eine magnetische Bodenplatte Werkzeug nach dem herkömmlichen nass-Lay-up Vakuumsack Verfahren vorbereitet. Dann eine Reihe von Permanent-Magneten, magnetische oberen Stahlplatte befestigt in den Vakuumbeutel gebracht wird. In dieser Studie werden Magnete angewendet, während Temperaturerhöhung Lay-up bis 60 ° C, wo die Viskosität des Harzes deutlich verringert. Druck zu einem anderen Zeitpunkt, z. B. die Gelierung Punkt kann Ausbeute Laminate mit unterschiedlichen Eigenschaften13,40,49. Der magnetische Druck hängt der Lücke zwischen der Magnete und magnetische Bodenplatte. So präsentieren wir ein Verfahren zur Messung der magnetischen Druck erzeugt durch einen Magneten als Funktion des Abstands (d.h., Lay-up Dicke).
Um die Wirksamkeit MACM, nass werden Lay-up Vakuumsack Laminate mit verschiedenen materiellen Bestandteile von mit sechs Szenarien mit und ohne magnetische Pressdruck hergestellt. Dann zeigen wir die einzelnen Schritte zur Charakterisierung von leere und Faser Volumen Brüchen, Mikrostruktur und Biege-Eigenschaften zusammengesetzte Laminate. Auszuwertende Volumen Brüche der zusammengesetzte Bestandteile, der Harz-brennen und Aussetzung Methoden verwendeten42. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass magnetische Verdichtungsdruck deutlich mit den Faser Volumenanteil steigt und der Hohlraumgehalt der Teile sinkt. Darüber hinaus für mikrostrukturellen Analyse der Zusammensetzung, Scannen Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bildgebung dient, und gibt Einblick in die Lage und die geometrischen Eigenschaften der Hohlräume15. Abbildung 3 zeigt beispielsweise, dass die Verwendung von magnetischen Druck während der Aushärtung auch vorteilhaft ist bei der Verringerung der Größe und Anzahl von Hohlräumen und daher die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Ausfall20,24 sinkt. Diese Faktoren verbessern daher die Biegefestigkeit Eigenschaften Laminate. Allerdings unterscheidet sich die Wirksamkeit der MACM abhängig vom Typ der zusammengesetzte Bestandteile (Glasfaser und Harz).
Obwohl die Herstellung von Laminaten mit dieser Methode einfach ist, muss während der Anordnung und Platzierung von Permanentmagneten darauf geachtet werden, da sie einen sehr hohen Druck (d. h. einem Maximaldruck von 0,64 MPa) erzeugen. Die Einschränkung dieser Methode ist, dass die Bodenplatte Werkzeug magnetisch, wie ein 400-Serie aus rostfreiem Stahl muss, und gegen Bewegung vor der Platzierung von Magneten, korrigiert werden muss, da die magnetische Anziehungskraft kann bewegen und die Platte nach oben zu verlagern. Darüber hinaus hängt der Anpressdruck durch Magnete von der Dicke des Laminats. Zum Beispiel, NdFeB, N52-2.54 2.54 × × 1,27 cm3 Permanent-Magnete sind kein hoher Konsolidierungsdruck (> 0,1 MPa) erzeugen wenn die composite-Lay-up Dicke 6,5 mm überschreitet. In diesem Fall müssen stärkere Magnete verwendet werden, um hohe Konsolidierung zu erreichen.
Die vorgestellte Methode ist bequem zu bedienen und hat den Vorteil gegenüber Autoklaven, dass er keine teure Ausrüstung und Werkzeuge benötigt. Obwohl hier nicht erläutert, ist diese Methode im großen und ganzen gilt nicht nur für nasse Lay-up Vakuumbeutel sondern auch zu anderen Fertigungsverfahren für Composites, wie Out-of-Autoklaven Härtung von Prepregs und Vakuum assisted Resin Transfer molding (VARTM). Darüber hinaus können große composite-Bauteile mit relativer Leichtigkeit fabriziert werden, indem Sie die Magneten entlang den Vakuumbeutel schieben, wenn ein geeignetes Schmiermittel zwischen den Magneten und die Vakuum-Beutel verwendet wird. Zusätzlich zu den besten unseres Wissens ist dies die einzige Methode, die erlaubt die Anwendung sowohl lokale als auch ungleichmäßiger Druck auf die composite-Lay-up. Eine künftige Ausrichtung dieser Methode ist die Herstellung von geometrisch komplexer composite-Bauteilen, aber anstatt die Magneten auf einem flachen Teller zu platzieren, können sie auf eine abgestimmte, obere Form platziert werden.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken der AME-Werkstatt an der University of Oklahoma zu helfen, die Form und den Aufbau der Fertigung und die Mitglieder des Composite Manufacturing Research Laboratory, machen Dr. Yousef K. Hamidi, M. Akif Yalcinkaya und Jacob Anderson für hilfreich Diskussionen.
Plain weave glass fiber | Hexcel | HexForce 3733 | The type of fibers can be substituted with any type of fabrics |
Randomly oriented chopped strand glass fiber | Fiberglast | 248 | |
TenCate EX-1522/IM7 | Tencate | it is a plain weave carbon/epoxy prepreg | |
PRO-SET INF-114 Infusion Epoxy | Composite Envisions | 1758 | The type of resin can be substituted with any type of resin suitable for wet lay-up vacuum bag process |
PRO-SET INF-211 Medium Infusion Hardener | Composite Envisions | 1760 | |
EPON 862 | Hexion Inc. | ||
EPIKURE Curing Agent 3300 | Hexion Inc. | ||
NdFeB, N52-2.54 × 2.54 × 1.27 cm3 | K&J Magnetics, Inc. | BX0X08-N52 | Magnets can be substitued with any type depending on the required pressure and application |
OLFA rotary cutter | Fibre Glast | 1706-A | |
Tacky tape | De-Comp Composites | D413Y | |
Polyester tape | De-Comp Composites | D574A | |
Squeegees | Fibre Glast | 62-A | Any type of squeegees can be used |
Roller | De-Comp Composites | D205 | Any type of rollers can be used |
PTFE-Coated fiberglass fabric sheets | McMaster-Carr Supply Company | 8577K81 | |
PTFE release agent dry lubricant | Miller-Stephenson | MS122AD | |
Perforated release film | Fibre Glast | 1787-C | |
Breather cloth | De-Comp Composites | ||
Vacuum bag film | Rock West Composite | WRIGHTLON 7400 | |
Aluminum twist lock vacuum valve | De-Comp Composites | D401 | |
Vacuum pump | Best Value Vacs | BVVRS1 | |
Flexible silicone-rubber heat sheets, adhesive backing | McMaster-Carr Supply Company | 35765K429 | |
400-series steel plate, 6.35 mm-thick | The lay-up is prepared on this plate | ||
steel plate, 4.76 mm-thick | The magnets are attached to this plate | ||
Aluminum sheet, 0.3-mm thick | |||
Lab stirrer mixer | Caframo | ||
Laboratory weigh scale | |||
AccuPyc II 1340 automatic gas pycnometer | Micromeritics Instrument Corporation | 134/00000/00 | |
Specific gravity cup, 83.2 mL | Gardco | EW-38000-12 | |
Acrylic cold mounting resin | Struers | LevoCit | |
Grinder/polisher | Struers | LaboSystem | |
Porcelain crucibles, 30 mL | United Scientific Supplies | JCT030 | |
Plastic Cups, 12 Oz, clear | It is used as epoxy mixing cups |