Как спроектировать усиление оптимального потока смолы в Rtm-процессах

В процессах литья под давлением смолы (RTM) армирование служит как структурным хребтом композитной части, так и средой, через которую должна проходить смола. Проектирование армирования, которое облегчает оптимальный поток смолы, имеет решающее значение для производства высококачественных, не имеющих смолы компонентов. Плохая конструкция армирования приводит к сухим пятнам, неполному мокрому выпадению и захваченным воздушным карманам, все из которых ухудшают механические характеристики и увеличивают скорость утилизации. Это расширенное руководство охватывает принципы, стратегии, материалы и методы проверки, которые инженеры и дизайнеры композитов используют для обеспечения равномерной пропитки смолы в RTM.

Понимание динамики потока смолы в RTM

Поток смолы в закрытой пресс-форме приводится в движение дифференциалами давления и сопротивляется пористой армирующей структуре. Двумя ключевыми параметрами, регулирующими поток, являются проницаемость и совместимость . Проницаемость описывает, как легко жидкость перемещается через пористую среду; в RTM это функция фракции объема волокна, ориентации волокна и архитектуры ткани. Сжатие относится к уменьшению толщины под давлением зажима, которое непосредственно изменяет проницаемость и создает предпочтительные пути потока.

Во время инъекции смола следует по пути наименьшего сопротивления. Изменения в местной проницаемости, вызванные вложением ткани, смещенными слоями или изменениями толщины, могут вызывать гоночное отслеживание по краям плесени или через зазоры. Эти явления приводят к неравномерным фронтам потока и потенциальному образованию пустот. Тщательное понимание закона Дарси для потока в пористых средах помогает в прогнозировании поведения потока: скорость потока пропорциональна проницаемости и градиенту давления и обратно пропорциональна вязкости смолы. Контролируя эти факторы посредством конструкции армирования, процессоры могут достичь полного вымокания перед гелированием.

Дополнительные сложности возникают в трехмерном потоке, например, в потоке сквозной толщины в толстых ламинатах или в потоках вокруг вставок и сердечников. Архитектура армирования должна быть адаптирована для поощрения равномерного продвижения смолы вперед, сводя к минимуму риск попадания воздуха. Это особенно важно для больших, сложных геометрий, где расстояние от входа до вентиляции может быть значительным.

Ключевые принципы для дизайна подкрепления

Успешная конструкция армирования для RTM основана на нескольких взаимосвязанных принципах. Каждый из них должен быть сбалансирован с требованиями к производительности деталей и производственными ограничениями.

Последовательная и контролируемая проницаемость

Усилительные материалы должны обеспечивать последовательную проницаемость в плоскости и сквозной толщины. Ткани с однородными прядями плетения (простые, твил или атлас) обеспечивают более предсказуемый поток, чем сшитые или случайные коврики. При использовании нескольких слоев избегайте резких изменений проницаемости между слоями, которые могут создавать неустойчивости потока. Картирование проницаемости - либо посредством экспериментальной характеристики, либо моделирования - помогает определить потенциальные проблемные области до изготовления формы.

Ориентация слоя и последовательность стекания

Ориентация волокон диктует пути потока смолы, потому что проницаемость является анизотропной. В тканых тканях смола течет быстрее по варп- и уплотнительным направлениям, чем по внеугольным. Конструкторы могут использовать эту анизотропию для направления смолы к вентиляционным отверстиям, при этом используя внеосевые слои для улучшения структурных свойств. Последовательность укладки также влияет на гнездование между слоями, что может либо увеличивать, либо уменьшать проницаемость по толщине. В целом сбалансированная и симметричная накладка не только уменьшает часть деформации, но и способствует более равномерному потоку.

Стратегия предотвращения пустот и вентиляции

Захваченный воздух является наиболее распространенным дефектом в RTM. Усилительная конструкция непосредственно влияет на образование пустот. Потоковые каналы или выделенные пути вентиляции, встроенные в армирование, такие как краевые плотины, перфорированные пленки или спиральные трубки, позволяют микро-пустотам выходить. Размещение вентиляционных отверстий должно выровняться с последними областями для заполнения, как правило, самыми отдаленными точками от впрыскных ворот. Кроме того, использование слоев, усиливающих поток (например, высокопроницаемые потоки) под стеком армирования может более эффективно привлекать смолу и воздух к вентиляционным отверстиям.

Единообразность толщины и измерение контроля

Изменения толщины армирования создают локальные различия уплотнения, которые, в свою очередь, изменяют проницаемость. Более толстые секции сжимают больше под закрытием формы, уменьшая проницаемость и создавая узкие места потока. Чтобы избежать этого, используйте однородные слои ткани с минимальной терпимостью к толщине. Когда присутствуют основные материалы или вставки, проектируйте постепенные переходы в наращивании армирования для предотвращения резких изменений проницаемости. Контроль толщины также обеспечивает согласованную фракцию объема волокна, которая необходима как для структурных характеристик, так и для предсказуемого потока.

Стратегии проектирования для подкреплений

Помимо основных принципов, несколько передовых стратегий позволяют инженерам адаптировать архитектуру подкрепления для оптимального потока в требовательных частях.

Интеграция потоковых медиа

Среды потока представляют собой слои с высокой проницаемостью, такие как полипропиленовая сетка, перфорированные пленки или сильно пористые нетканые ткани, которые помещаются внутри или над стеком армирования. Они обеспечивают пути с низкой устойчивостью для быстрого распространения смолы по части, уменьшая время инъекции и улучшая вымачивание. В толстых ламинатах несколько слоев проточной среды могут использоваться для распределения смолы из нескольких точек инъекции. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы проточные среды не стали неотъемлемой частью конечной части, если они не предназначены, поскольку они могут влиять на механические свойства. Часто, кожурические слои или пористые выпускные пленки используются для отделения проточной среды от структурной армации.

Архитектура усиления и дизайн каналов

Для сложных геометрий стандартных плоских тканей может быть недостаточно. Разработанные предварительные формы со встроенными каналами потока, созданные путем выборочного укладки дополнительных слоев ткани, использования жертвенных пряжами для распорок или включения термопластичных каналов, могут направлять смолу в труднодоступные области. Эти каналы должны быть спроектированы так, чтобы избежать создания сухих пятен: они должны сужаться или заканчиваться в вентиляционных отверстиях, чтобы обеспечить эвакуацию воздуха. Концепция распределенных каналов потока широко используется в вакуумном формовании смолы (VARTM), но может быть адаптирована для RTM путем размещения каналов только в регионах, склонных к гонке или голоданию смолы.

Использование инсертов и основных материалов

Вставки и пенопластовые сердечники часто необходимы для функциональных частей, таких как скобки или панели. Эти элементы создают локальные разрывы в проницаемости и могут захватывать воздух, если не адресованы. Решения включают в себя оберточные вставки с слоем ткани, улучшающей поток, обрабатывающие канавки в пенопластовые сердечники, чтобы действовать как каналы потока, или с использованием перфорированных сердечников, которые позволяют протекать через толщину. Укрепление вокруг вставки должно быть непрерывным и сжатым равномерно, чтобы избежать зоны низкого давления, где воздух может быть захвачен.

Многопортовая инъекция и последовательные врата

Для больших или сложных деталей один впрыскный затвор может не обеспечивать достаточный поток. Несколько впрыскных затворов, управляемых последовательными клапанами, могут быть запрограммированы на открытие и закрытие на основе положения давления или переднего потока. Конструкция усиления должна затем включать направляющие потоки - такие как локализованные слои с высокой проницаемостью - которые уводят смолу от одного затвора к следующей активной зоне. Это требует тщательного моделирования, чтобы гарантировать, что ни одна область не голодает или не подвергается избыточному давлению. Компоновка усиления должна быть модульной, чтобы позволить корректировки, если моделирование выявляет нарушения потока.

Выбор материалов для усиления RTM

Выбор формы волокна и ткани глубоко влияет на поток смолы. Хотя структурные свойства имеют первостепенное значение, ограничения на технологичность также должны направлять выбор материала.

Непрерывные волокна вплетенные ткани

Тканые ткани обеспечивают предсказуемую, повторяемую проницаемость и широко используются в RTM. Стили плетения, такие как простые и троллейбусные, обеспечивают стабильные, низкоконкретные архитектуры, которые минимизируют искажение волокна во время уплотнения. Для оптимального потока избегайте тяжелых буксиров, которые создают большие межпряжные зазоры, поскольку они могут вызывать предпочтительные пути потока и последующие сухие пятна. Легкие ткани (например, 100-200 г / м2) с тонкими буксирами обычно дают более однородную проницаемость по сравнению с тяжелыми грубыми ткачествами.

Некремниевые ткани (NCF)

NCF состоят из нескольких однонаправленных слоев, сшитых вместе. Они обеспечивают высокое выравнивание волокон и высокую проницаемость в плоскости, но проницаемость по толщине ниже, если только сшивание не создает каналы потока. При использовании NCF необходимо выбрать рисунок сшивания (трикот, цепь или варп-вязка) для баланса проницаемости и механической целостности. Некоторые архитектуры NCF включают пористую вуаль на поверхности, которая усиливает поток вне плоскости, что делает их пригодными для толстых ламинатов.