En ny teknik för konsolidering påtryckningsmedel på den sugpåsen uppställningsspår att fabricera sammansatta laminat beskrivs. Målet med detta protokoll är att utveckla en enkel, kostnadseffektiv teknik för att förbättra kvaliteten på laminat tillverkade av metoden våta uppställningsspår sugpåsen.
Detta arbete visar ett protokoll för att förbättra kvaliteten på sammansatta laminat tillverkade av våta uppställningsspår sugpåsen processer använder det nyligen utvecklade magnet assisterad sammansatta tillverkningsteknik (MACM). Den här tekniken utnyttjas permanentmagneter för att tillämpa en tillräckligt hög konsolidering trycket under härdningen. Att öka intensiteten i magnetfältet, och således för att öka magnetiska packning trycket, magneterna är placerade på en magnetisk topplattan. Först hela proceduren för att förbereda den sammansatta uppställningsspår på en magnetisk botten stål platta med konventionella våta uppställningsspår sugpåsen processen beskrivs. Det andra illustreras placering av en uppsättning av neodym-järn-bor permanentmagneter, ordnade i alternerande polaritet, på sugpåsen. Därefter presenteras de experimentella rutiner att mäta magnetiska packning tryck och volym fraktioner av sammansatta beståndsdelar. Slutligen diskuteras metoder används för att karakterisera mikrostruktur och mekaniska egenskaper hos sammansatta laminat i detalj. Resultaten bevisa effektiviteten i metoden MACM att förbättra kvaliteten på våta uppställningsspår sugpåsen laminat. Denna metod kräver inte stora investeringar för verktyg eller utrustning och kan också användas för att konsolidera geometriskt komplexa sammansatta delar genom att placera magneter på en matchande topp mögel placerad på sugpåsen.
Fiberförstärkt polymerkompositer har använts i automotive1,2, aerospace3,4, Marina5,6och konstruktion7,8 branscher på grund av deras unika egenskaper såsom hög specifik styrka och elasticitetsmodul, gynnsamma trötthet beteende och korrosionsbeständighet. För närvarande hög kvalitet sammansatta laminat är huvudsakligen dikta ihop användande tyglager före impregnerade (natriumvätesulfit) härdas i en autoklav under förhöjd temperatur och hög konsolidering trycket på 0,27-0,69 MPa (40-100 psi)9. Något lägre kvalitet sammansatta laminat tillverkas av våt uppställningsspår process, där ett högre tryck som konsolidering inte tillämpas. Denna process är arbetsintensiva, kräver ingen dyr utrustning och utförs genom att placera ett skikt av torra tyget på en mögel och därefter tillämpa harts. I de flesta tillämpningar används en handhållen roller att tvinga kådan i fiber förstärkning och krama ur överflödig harts. Sekvensen upprepas tills önskad tjocklek erhålls. Kvaliteten på de laminat som produceras av våta uppställningsspår kan förbättras avsevärt genom att tillämpa en kombination av vakuum (kallas våt uppställningsspår sugpåsen processen) och en ytterligare konsolidering tryck i autoklav under botemedel. Påtryckningsmedel hög konsolidering under bota underlättar harts flödet, vilket leder till en ökning av fiber volymfraktionen och en borttagning av håligheter10,11 vilket resulterar i förbättring av mekaniska egenskaper. Abraham o.a. 12 visade att hög kvalitet tuskaft E-glas komposit laminat med en hög fiber volymfraktion av cirka 64% och låg ogiltiga volymfraktion av 1,6% kan fabriceras med våta uppställningsspår sugpåsen när ett konsolidering tryck på 1,2 MPa är tillämpas i en autoklav.
Håligheter är en av de vanligaste felen som bildas under tillverkningen av sammansatta laminat. Håligheter som allt från ett par µm till flera hundra mikron bildas främst på anhållna luften under uppställningsspår, upplöst fukt i kådan och utvisas flyktiga ämnen under bota13,14,15. Dessutom finns dynamiken i impregnering av fibrösa förstärkning för att ha en betydande inverkan på ogiltiga brottsprovokation16,17. Det är allmänt accepterat att förekomsten av håligheter i en sammansatt laminat kan leda till en betydande minskning av styrka13,18,19, modulus20,21, fraktur seghet22och trötthet liv23,24 i laminat. Exempelvis Judd och Wright25 fann att varje 1% ökning i ogiltigt innehåll (upp till 4%), resulterar i en ca 7% droppe i kort beam skjuvning egenskaper. Ghiorse26 hittade dessutom att i kolfiber/epoxi kompositer, för varje 1% ökning av ogiltiga innehåll, en 10% minskning interlaminär skjuvning och böjhållfasthet och en 5% minskning av böjhållfasthet modulus kan ses. Håligheter har dessutom negativa effekter på spricka initiering och förökning samt fukt absorption27,28. Det är välkänt att fukt absorptionshastigheten för laminat med högre ogiltigt innehåll är större, och absorberas fukten kan orsaka försämring av fiber-matrix gränssnittet och sämre långsiktig mekaniska egenskaper29, 30,31,32. Således, för att säkerställa samstämmigheten i de mekaniska egenskaperna och uppnå högsta kvalitet av sammansatta produkter, ogiltiga innehållet ska minimeras.
Även om bota en sammansatt laminat i autoklav producerar tillförlitliga, högkvalitativa delar, skulle produkten kostnaden bli hög på grund av initiala kapitalinvesteringar och överdriven energianvändning. Utöver autoklav har cure, en mängd olika tekniker såsom vakuum assisterad harts överföring gjutning (VARTM) och Quickstep process utvecklats och används för att tillverka sammansatta laminat av autoklav32,33, 34 , 35 , 36. på grund av avsaknad av en enhetlig, hög press, har dock de laminat som produceras av dessa metoder ofta lägre mekaniska egenskaper jämfört med dem gjorde i autoklaver37. Nyligen har en ny teknik kallad magnet assisterad komposit tillverkning (MACM) har använts för att förbättra kvaliteten på våta uppställningsspår sugpåsen sammansatta laminat av påtryckningsmedel en konsolidering som genereras av en uppsättning av hög effekt permanenta magneter38,39. Tillämpningen av denna teknik förlängdes sedan för att producera högkvalitativa, strukturella sammansatta laminat av autoklav med hög temperatur permanentmagneter40.
I detta papper presenteras ett protokoll för tillverkning av våta uppställningsspår sugpåsen sammansatta laminat med MACM teknik. I MACM används Neodymium-järn-bor permanentmagneter för att tillämpa en tillräckligt hög konsolidering trycket under botemedel, och därmed förbättra kvaliteten på laminat. Först beskrivs utarbetandet av 6-ply, tuskaft E-glas/epoxy composite uppställningsspår på en bottenplatta stål. Sedan, demonstreras arrangemanget av permanentmagneter i alternerande polaritet på en topp stålplåt, tillsammans med dess placering sugpåsen att tillämpa en konsolidering trycket på den sammansatta uppställningsspår. Slutligen beskriver vi stegen för mätning av magnetiska packning påtryckningar, liksom de metoder som används för karakterisering av void och fiber volymfraktioner, mikrostruktur och mekaniska egenskaper hos sammansatta laminat. Effektiviteten i processen MACM undersöks genom att tillverka våta uppställningsspår sugpåsen laminat tillverkade under magnetiska press och jämföra deras egenskaper de fabricerade av konventionella våta uppställningsspår sugpåsen utan magneter. De erhållna resultaten bevisa metoden MACM förmåga att förbättra övergripande laminat. Denna metod är en billig och enkelt sätt att tillverka högkvalitativa laminat och kan användas för att tillverka stora och geometriskt komplexa sammansatta komponenter med relativ lätthet.
Tillämpningen av en hög konsolidering trycket under bota en sammansatt laminat är särskilt viktigt för att tillverka en högkvalitativ sammansatta del47. Om det yttre trycket tillämpas inte och laminat är botad bara under vakuum, innehåller den sista delen generellt höga ogiltigt innehåll, möjligen överstiger 5% av volymen och oönskade harts rika regioner48. Hög ogiltigt innehåll, låg fiber volymfraktion och harts rika områdena är faktorer som negativt påverkar de mekaniska egenskaperna hos sammansatta laminat. I detta arbete är ett experimentellt protokoll för att tillämpa hög konsolidering trycket under härdning av laminat i våta uppställningsspår sugpåsen processen beskrivs29. Den här tekniken först, tillagas den sammansatta uppställningsspår på en magnetisk bottenplatta verktyg enligt konventionella våta uppställningsspår sugpåsen process. Sedan placeras en uppsättning av permanentmagneter, bifogas en magnetiska topp stålplåt, på sugpåsen. I denna studie används magneter samtidigt öka uppställningsspår temperaturen till 60 ° C, där harts viskositeten minskar betydligt. Påtryckningsmedel vid en annan tidpunkt, såsom gelation peka, kan avkastningen laminat med olika egenskaper13,40,49. Tillämpade magnetiska tryck beror på klyftan mellan magneter och magnetiska bottenplattan. Således presenterar vi ett förfarande för att mäta magnetisk trycket som genereras av en magnet som en funktion av klyftan (dvs, uppställningsspår tjocklek).
För att bestämma effektiviteten av MACM, våt tillverkas uppställningsspår sugpåsen laminat med olika materiella beståndsdelar med sex scenarier med och utan magnetiska packning trycket. Sedan visar vi de detaljerade anvisningarna för karaktärisering av void och fiber volymfraktioner, mikrostruktur och böjhållfasthet egenskaper av sammansatta laminat. Att utvärdera volymfraktioner sammansatta beståndsdelar, harts-Bränn off och suspension metoder är utnyttjad42. De presenterade resultaten visar att använda magnetiska packning trycket avsevärt ökar fiber volymfraktionen och minskar ogiltiga innehållet av delar. Dessutom för Mikrostrukturens analys av komposit, scanning electron microscopy (SEM) imaging används och ger inblick i läge och geometriska funktioner håligheter15. Figur 3 visar exempelvis att användning av magnetiska trycket under botemedel är också fördelaktigt att minska både storlek och antal håligheter, och därmed minskar sannolikheten för förtida fel20,24. Följaktligen, dessa faktorer kraftigt förbättra böjhållfasthet egenskaperna för laminat. Effektiviteten i MACM är dock olika beroende på vilken typ av sammansatta beståndsdelar (fiber och kåda).
Även tillverkning av laminat med denna metod är enkel, måste försiktighet iakttas under arrangemang och placering av permanenta magneter som de genererar ett mycket högt tryck (dvs. ett maximalt tryck på 0,64 MPa). Begränsning av denna metod är att verktyget bottenplattan måste vara magnetiska, såsom en 400-serien rostfritt stål, och det måste vara fast mot rörelsen innan placering av magneter, eftersom den magnetiska attraktion kraften kan flytta och flytta plattan uppåt. Dessutom, beror den tillämpade trycket av magneter på tjockleken på laminatet. Till exempel, NdFeB, N52-2,54 x 2,54 × 1,27 cm3 permanentmagneter är inte kunna generera en hög konsolidering tryck (> 0,1 MPa) när sammansatta uppställningsspår tjocklek överstiger 6,5 mm. I det här fallet måste starkare magneter utnyttjas för att uppnå en hög konsolidering.
Den presenterade metoden är praktiskt att använda och har fördelen framför autoklaver i att det inte kräver dyr utrustning och verktyg. Även om inte klarlagd här, är denna metod i stort sett inte endast gäller de våta uppställningsspår vakuum påse men även till andra tillverkningsprocesser för kompositer, såsom ut-av-autoklav härdning av debutaniserade och vakuum assisterad harts överföring gjutning (VARTM). Dessutom kan stora sammansatta komponenter vara fabricerade med relativ lätthet genom att skjuta magneterna längs sugpåsen om lämpligt smörjmedel används mellan magneterna och sugpåsen. I tillägg, till bäst av vår kunskap, är detta den enda metod som tillåter tillämpningen av såväl lokala som icke-enhetlig trycket på den sammansatta uppställningsspår. En framtida riktning för denna metod är att tillverka geometriskt komplexa sammansatta delar, men istället för att placera magneter på en platta, de placeras på en matchade, övre mögel.
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar AME maskinverkstaden på University of Oklahoma för att hjälpa att göra mögel och fabrication set-up och medlemmarna i den sammansatta Manufacturing Research Laboratory, Drs. Yousef K. Hamidi, M. Akif Yalcinkaya och Jacob Anderson för bra diskussioner.
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 |