En ny teknikk for konsolidering pressmiddel i vakuum bag lay-up å dikte sammensatt laminater er beskrevet. Målet med denne protokollen er å utvikle en enkel, kostnadseffektiv teknikk for å forbedre kvaliteten på laminater fabrikkert av metoden våt lay-up vakuum bag.
Dette arbeidet demonstrerer en protokoll for å forbedre kvaliteten på sammensatte laminater fabrikkert av våt lay-up vakuum bag prosesser bruker nylig utviklet magnet assistert kompositt produksjon (MACM) teknikk. I denne teknikken benyttes permanente magneter for å bruke en tilstrekkelig høy konsolidering press under herding scenen. Å øke intensiteten av magnetfelt, og dermed for å øke trykket magnetiske komprimering, magneter er plassert på en magnetisk topplaten. Først hele prosedyren med å forberede den sammensatte lay-up på en magnetisk bunn stål plate ved hjelp av konvensjonelle våt lay-up vakuum bag prosessen er beskrevet. Andre er plassering av Neodym-jern-Boron permanente lagt polaritet, på vakuum bag illustrert. Neste, eksperimentelle fremgangsmåtene å måle magnetisk komprimering trykk og volum fraksjoner av de sammensatte bestanddelene presenteres. Endelig er metoder benyttes for å karakterisere mikrostruktur og mekaniske egenskaper av sammensatte laminater diskutert i detalj. Resultatene bevise effektiviteten av metoden MACM i å forbedre kvaliteten på våt lay-up vakuum bag laminater. Denne metoden krever ikke store investeringer for verktøy eller utstyr, og kan også brukes til å konsolidere geometrisk komplekse sammensatt deler ved å plassere magnetene på en matchende topp mold på vakuum bag.
Fiber-armert polymer kompositter brukt mye i bilindustrien1,2, luftfart3,4, marine5,6og bygging7,8 næringer grunn av sine unike egenskaper som høy bestemt styrke og modulus, gunstig tretthet atferd og korrosjonsbestandighet. Foreløpig høy kvalitet kompositt laminater er overveiende fremstille bruker lag av pre impregnert stoff (prepreg) kurert på en autoklav under høy temperatur og høyt konsolidering presset av 0,27-0.69 MPa (40-100 psi)9. Noe lavere kvalitet kompositt laminater produseres av våt lay-up prosessen, der høyere konsolidering trykk ikke brukes. Denne prosessen er arbeidskrevende, krever ikke dyrt utstyr og utføres ved å plassere en lag av tørr stoff på en mold og deretter bruke harpiks. I de fleste programmer brukes en håndholdt roller å tvinge harpiks i fiber forsterkning og klem ut overflødig harpiks. Denne sekvensen gjentas til ønsket tykkelse er oppnådd. Kvaliteten på laminater produsert av våt lay-up kan forbedres betraktelig ved å bruke en kombinasjon av vakuum (kalt våt lay-up vakuum bag prosessen) og en ytterligere konsolidering trykket i en autoklav under kur. Søker høy konsolidering press under kur forenkler harpiks strømmen, fører til en økning i fiber volum brøken og en fjerning av tomrom10,11 som resulterer i forbedring av mekaniske egenskaper. Abraham et al. 12 viste at høy kvalitet ren veve E-glass sammensatt laminater med en høy fiber volum brøkdel av ca 64% og ugyldige lydstyrke brøkdel av 1,6% kan være fabrikasjon benytter våt lay-up vakuum bag når en konsolidering Trykk 1.2 MPa brukt i en autoklav.
Tomrom er en av de mest vanlige feilene som dannes under produksjonen av sammensatte laminater. Tomrom mellom noen få mikroner flere hundre mikron er dannet hovedsakelig på grunn av fanget luften under lay-up, oppløst fuktighet i harpiks og utvist flyktige under kur13,14,15. Også er dynamikken i impregnering av fibrøst forsterkning funnet for å ha en betydelig effekt på ugyldige entrapment16,17. Det er allment akseptert at tilstedeværelsen av tomrom i en sammensatt laminat kan føre til en betydelig reduksjon av styrke13,18,19, modulus20,21, brudd seighet22og tretthet livet23,24 av laminater. For eksempel Judd og Wright25 fant at hver 1% økning i ugyldig innhold (opp til 4%), gir en ca 7% nedgang i egenskapene kort strålen skjær. Videre fant Ghiorse26 at i karbon/epoxy kompositter, for hver 1% økning i ugyldig innhold, en 10% reduksjon i interlaminar skjær og Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk styrke og 5% reduksjon i Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk modulus kan sees. I tillegg har tomrom bivirkninger fra sprekk initiering og forplantning, samt fuktighet absorpsjon27,28. Det er velkjent at absorbering av fukt for laminater med høyere ugyldig innhold er større, og den absorbert fuktigheten kan forårsake forringelse av fiber matrise grensesnittet og mindreverdig langsiktige mekaniske egenskaper29, 30,31,32. Derfor, for å sikre konsekvens av mekaniske egenskaper og oppnå høyeste kvalitet kompositt produkter, ugyldige innholdet bør minimaliseres.
Selv herding en sammensatt laminat i en autoklav gir pålitelig, høy kvalitet deler, vil produktet prisen bli høy første kapitalinvestering og overdreven energiforbruket. I tillegg til autoklav er kur, en rekke teknikker som vakuum assistert harpiks overføring molding (VARTM) og Quickstep prosessen utviklet og brukt til å dikte sammensatt laminater av autoklav32,33, 34 , 35 , 36. fraværet av en uniform, høyt trykk, har imidlertid laminater produsert av disse metodene ofte lavere mekaniske egenskaper sammenlignet med de i autoklavene37. Nylig en teknikken kalles magnet assistert kompositt produksjon (MACM) har blitt benyttet for å forbedre kvaliteten på våt lay-up vakuum bag sammensatt laminater ved å legge en konsolidering press generert av et sett med høy effekt permanente magneter38,39. Anvendelsen av denne teknikken ble deretter utvidet til å produsere høy kvalitet, strukturelle sammensatt laminater av en autoklav med høy temperatur permanente magneter40.
I dette papiret vises en protokoll for produksjon av våt lay-up vakuum bag sammensatt laminater bruker MACM teknikk. I MACM benyttes Neodym-jern-Boron permanente magneter for å bruke en tilstrekkelig høy konsolidering press under kur, og dermed forbedre kvaliteten på laminater. Først er utarbeidelse av 6-ply, ren veve E-glass/epoxy sammensatt lay-up på stål bunnplaten beskrevet. Deretter demonstreres ordningen av permanente magneter i vekslende polaritet på en topp stålplater, sammen med sin plassering på vakuum bag å bruke en konsolidering press på den sammensatte lay-up. Til slutt, vi skissere trinnene for måling av magnetiske komprimering press, samt metodene som brukes for karakterisering av void og fiber volum brøker, mikrostruktur og mekaniske egenskaper av sammensatte laminater. Effektiviteten av MACM prosessen er undersøkt ved å fabrikere våt lay-up vakuum bag laminater gjort under magnetiske press og sammenligne egenskapene til de fabrikkert av konvensjonelle våt lay-up vakuum bag uten magneter. Resultatene være evnen av metoden MACM til å forbedre generelle laminat kvaliteten. Denne metoden er en rimelig og enkel måte å produsere høykvalitets laminater og kan brukes for å utvikle store og geometrisk komplekse komposittdeler med relativ letthet.
Anvendelse av en høy konsolidering press under helbrede en sammensatt laminat er spesielt viktig for produksjon av en høy kvalitet kompositt del47. Hvis det ytre presset brukes ikke og laminat er herdet under vakuum, inneholder den siste delen generelt høye ugyldig innhold, muligens over 5% av volumet og uønsket harpiks rike regioner48. Høy ugyldig innhold, lav fiber volum brøk og harpiks rike områder er faktorer som negativt påvirker mekaniske egenskaper for sammensatt laminater. I dette arbeidet er en eksperimentell protokoll for høy konsolidering pressmiddel under helbredelse av en laminat i våt lay-up vakuum bag prosessen beskrevet29. I denne teknikken, først er den sammensatte lay-up forberedt på en magnetisk bunnplaten verktøyet ifølge konvensjonelle våt lay-up vakuum bag prosessen. Da er en rekke magneter, knyttet til en magnetisk topp stålplater, plassert på vakuum bag. I denne studien brukes magneter mens økende lay-up temperaturen til 60 ° C, hvor harpiks viskositet reduseres betydelig. Legge press på et annet tidspunkt, for eksempel gelation punkt, kan gi laminater med ulike egenskaper13,40,49. Nivået av anvendt magnetiske press avhenger av gapet mellom magneter og magnetiske bunnplaten. Derfor presenterer vi en prosedyre for å måle magnetisk presset generert av en magnet som en funksjon av gapet (dvs. lay-up tykkelse).
For å fastslå effektiviteten av MACM, våt er lay-up vakuum bag laminater med forskjellige materiale bestanddeler fabrikkert med seks scenarier med og uten magnetisk komprimering press. Deretter viser vi detaljerte trinn for kategorisering av void og fiber volum brøker, mikrostruktur og Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk egenskaper for sammensatt laminater. Evaluere volum fraksjoner av sammensatte bestanddeler, harpiks-brenne av og suspensjon metoder er utnyttet42. Presentert resultatene viser at bruke magnetiske komprimering press betydelig øker fiber volum brøken og reduserer ugyldige innholdet av deler. I tillegg for microstructural analyse av sammensatt, skanning elektronmikroskop (SEM) imaging brukes, og gir innsikt i plasseringen og geometriske funksjoner tomrom15. Figur 3 viser for eksempel at bruk av magnetiske press ved kur er også gunstig å redusere både størrelse og antall tomrom, og dermed reduserer sannsynligheten for tidlig svikt20,24. Disse faktorene forbedre dermed Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk egenskapene til laminater. Men er effekten av MACM forskjellig avhengig av de sammensatte bestanddelene (fiber og harpiks).
Selv om fabrikasjon av laminater med denne metoden er enkel, må være forsiktig under arrangementet og plasseringen av permanente magneter som de genererer et svært høyt trykk (dvs. et maksimalt trykk 0,64 MPA). Begrensning av denne metoden er at verktøyet bunnplaten må være magnetisk, for eksempel en 400-serien rustfritt stål, og det må rettes mot bevegelsen før plassering av magneter, fordi magnetisk tiltrekningskraft styrken kan flytte og bytte plate oppover. I tillegg brukes trykket av magneter, avhengig av tykkelsen på laminat. For eksempel NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1.27 cm3 permanente magneter kan ikke generere en høy konsolidering trykk (> 0.1 MPa) når sammensatt lay-up tykkelsen overstiger 6.5 mm. I dette tilfellet må sterkere magneter benyttes for å oppnå høy konsolidering.
Presentert metoden er praktisk å bruke og har en fordel autoklavene i at den ikke krever dyrt utstyr og verktøy. Selv om ikke utredet her, er denne metoden bredt gjelder ikke bare våt lay-up vakuum bag men også til andre produksjonsprosesser for kompositter, som ut-av-autoklav herding av prepregs og vakuum assistert harpiks overføre molding (VARTM). Dessuten kan store komposittdeler fremstille med relativ letthet ved å skyve magneter langs vakuum bag hvis et egnet smøremiddel brukes mellom magneter og vakuum bag. I tillegg til best av vår kunnskap, er dette den eneste metoden som tillater bruk av lokale så vel som ikke-uniform press på den sammensatte lay-up. En fremtid retning av denne metoden er å produsere geometrisk komplekse sammensatt deler, men i stedet for å plassere magnetene på en flat tallerken, kan de være plassert på en samsvarende, øvre mold.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker AME Machine Shop på University of Oklahoma for å gjøre mold og fabrikasjon oppsettet og medlemmer av den sammensatte produksjon Research Laboratory, Dr. Yousef K. Hamidi, M. Akif Yalcinkaya og Jacob Anderson for nyttig diskusjoner.
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 |