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I Fondamenti dei cicli di guarigione
I cicli di guarigione della resina sono i profili di temperatura e di tempo accuratamente controllati applicati a un materiale composito per trasformare la resina liquida in una matrice termoindurente solida. Questo processo, noto come polimerizzazione, inizia e guida il cross-linking delle catene polimeriche, che detta le proprietà meccaniche, termiche e chimiche del composito finale.
Comprensione della densità di collegamento trasversale
La densità di rampa di binario si riferisce al numero di legami covalenti formati tra catene di polimeri durante la polimerizzazione. La densità di collegamento trasversale più elevata aumenta generalmente la rigidità, la temperatura di transizione di vetro (]T]]g]]]) e la resistenza chimica, ma può anche rendere il materiale più fragile.
Temperatura Ramp Tassi e Dwell Times
Per evitare che il tempo di accumulo di calore si crei più velocemente, il tasso di dilatazione è sufficientemente elevato. Per evitare che il calore generato dalla reazione di polimerizzazione si crei più veloce di quanto possa dissipare, potenzialmente degradare la resina o causare gradienti termici che curvano la parte.
Tipi di ciclo di curricolo comuni e le loro applicazioni
Diversi processi produttivi e requisiti di performance richiedono strategie specifiche per il ciclo di cura. Di seguito sono i tipi più utilizzati, insieme alle loro applicazioni e trade-off tipici.
Cure di temperatura della camera
La temperatura ambiente si basa sulle condizioni ambientali (di solito 20–25 °C) per indurire la resina, spesso con l'aiuto di un catalizzatore o un temperante. Questo metodo è il più semplice e conveniente, che richiede non forni o autoclavi. È ampiamente usato per piccole patch di riparazione, prototipazione, e parti a basso volume dove le esigenze meccaniche sono moderate.
Autoclave Cure
L'autoclave curing si applica sia alla temperatura e alla pressione elevata (di solito 50–100 psi) al laminato, fornendo due vantaggi principali: il consolidamento potenziato e il contenuto del vuoto ridotto. La pressione sopprime la degassazione volatile e costringe l'aria intrappolata fuori del laminato, producendo le più alte frazioni di vuoto al di sotto dell'1%.
Stampaggio a trasferimento di resina (RTM)
In RTM, i preformati in fibra secca sono posizionati in uno stampo chiuso e la resina liquida viene iniettata sotto pressione. Il ciclo di cura consiste nel preriscaldare lo stampo alla temperatura di iniziazione della resina, iniettando la resina ad una portata controllata, e quindi tenendo lo stampo a temperatura fino a quando non è completata la cura.
Sacchetto sottovuoto e fornello
Per applicazioni di costo-sensibili in cui la pressione autoclave non è disponibile, il vuoto solo (VBO) che cura in un forno è un'alternativa popolare. Il laminato è sigillato in un sacchetto sotto vuoto sotto 1 atmosfera di pressione e riscaldato utilizzando un forno industriale o coperte di riscaldamento.
Post-Curing
Il suo scopo è quello di guidare la resina per la conversione di quasi-completo, massimizzare Tg[FLT] e rilassare gli stress residui.
Come i cicli Cure influenzano le proprietà finali del composito
I collegamenti tra il ciclo curativo e le proprietà materiali risultanti sono complessi e interdipendenti, che riportano i meccanismi specifici per cui i parametri di cura influiscono sulle proprietà meccaniche, termiche e duraturi.
Forza meccanica e Modulo
La rampa completa produce una matrice più rigida e più forte che trasferisce il carico in modo efficace alle fibre. Un ciclo di cura che raggiunge >95% di conversione produrrà resistenze di trazione e compressione vicino al massimo teorico per il sistema di resina.
Resistenza termica e chimica
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Assorbimento e Porosità dell'umidità
La porosità è il nemico della resistenza composito. I Voidi agiscono come concentratori di stress e forniscono percorsi per l'ingresso dell'umidità. Durante la polimerizzazione, l'aria intrappolata, i volatili dalla resina, e l'umidità nelle fibre possono tutti contribuire alla formazione del vuoto. Un ciclo efficace di cura riduce la porosità in due modi: (a) permettendo il tempo sufficiente per l'aria di sfuggire prima che la viscosità della resina diventi troppo alta (spesso un ciclo di 30 °
Sforzo residenziale e stabilità dimensionale
Lo stress residuo deriva da due fonti durante la polimerizzazione: il restringimento chimico come i cross-link della resina (tipicamente 2–7% del restringimento volumetrico per le epossie), e la contrazione termica durante il raffreddamento della cura dopo l'abitazione.
Tecniche per l'ottimizzazione dei cicli di guarigione
La produzione di compositi moderni sfrutta diverse tecniche analitiche per progettare e convalidare i cicli di cura senza contare esclusivamente su prova ed errore.
Calorimetria di scansione differenziale (DSC)
Il DSCother misura il flusso di calore in o fuori di un campione di resina come è riscaldato. Attraverso la scansione di resina non polimerizzata a diversi livelli di riscaldamento, gli ingegneri possono determinare la temperatura di inizio della reazione, l'esotermo di picco e l'entalpia totale della cura. Questi dati si nutrono in modelli di cura cinetica che prevedono il grado di conversione come funzione di tempo e temperatura.
Analisi meccanica dinamica (DMA)
[LT] misura le proprietà viscoelastiche [modulo di stoccaggio, modulo di perdita, delta tan] di un campione composito come funzione di temperatura. Durante il ciclo di cura, DMA può essere utilizzato per monitorare il punto di gel (dove le transizioni di resina da un liquido viscoso ad un solido gommato) e l'insorgenza di vitrificazione (dove diventa un solido vetrato).
Cure Kinetics Modeling
I pacchetti software (ad esempio, Hexcel’s cura modellazione degli strumenti] o analisi generale degli elementi finiti con i solventi termochimici accoppiati) permettono agli ingegneri di simulare la temperatura e il grado di distribuzione della cura all’interno di una geometria complessa durante l’intero ciclo di cura.
Considerazioni di Cure specifiche dell'industria
Le diverse industrie pongono vincoli unici sui cicli di cura basati su sicurezza, costi e requisiti di volume.
Aerospaziale
L’industria aerospaziale richiede la massima coerenza e qualità dei materiali. I cicli di cottura devono produrre frazioni vuote inferiori all’1%, T]g valori superiori a 200 °C per le strutture primarie, e le tolleranze dimensionali prevedibili.
Automobilismo
I compositi automobilistici devono essere prodotti in volumi elevati (tenuti di migliaia di parti all'anno) a basso costo, che spinge i tempi di ciclo fino a 2-5 minuti per i componenti del polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) nei veicoli premium di alta pressione (HP-RTM) i sistemi di resina a rapido carico (ad esempio, i tempi di gel di 2-3 minuti a 150 °C) sono utilizzati in RTM ad alta pressione (HP-RTM).
Energia eolica
Le lame delle turbine eoliche sono tra le più grandi strutture composite mai costruite, con lunghezze superiori a 100 metri. Il ciclo di cura deve gestire laminati molto spessi (fino a 100 mm nella regione radice) e le grandi aree superficiali. L'infusione sottovuoto (spesso con resine epossidica) è il processo dominante.
Tendenze future nel design del ciclo di Cure
La spinta per una maggiore produttività, una migliore qualità e la sostenibilità sta guidando l’innovazione nella tecnologia del ciclo di cura. Il monitoraggio del processo tradizionale] utilizzando i sensori a fibre ottiche (ad esempio, i sensori FBG) o l’analisi dielettrica (DEA) permette di regolare in tempo reale il ciclo di cura basato sullo stato reale del materiale, piuttosto che su un profilo di temperatura preimpostata.
Conclusioni
Il ciclo di cura della resina è molto più di un parametro di processo; è il singolo fattore più influente nel determinare le proprietà finali di un materiale composito. Dalla densità del reticolo e dalla temperatura di transizione del vetro allo stress residuo e al contenuto del vuoto, ogni aspetto delle prestazioni è legato a come la resina è curata.