Table of Contents

Введение в формование смолы и роль волоконных преформ

Литье под давлением смолы (RTM) представляет собой процесс производства композитов с закрытой формой, широко применяемый в аэрокосмической, автомобильной, ветровой и морской промышленности. В RTM преформа сухого волокна помещается внутри полости формы, после чего впрыскивается жидкая смола, которая проникает в арматуру. После отверждения часть демольдингуется. Качество, механическая производительность и время цикла конечного композита критически зависят от того, как смола перемещается по волоконной сети. ] Динамика потока смолы — скорость, однородность и полнота пропитки — непосредственно регулируется архитектурой, проницаемостью и поведением уплотнения преформы волокна. Понимание этого взаимодействия необходимо для инженеров, стремящихся эффективно производить бездефектные высокопрочные компоненты.

В этой статье дается всестороннее исследование того, как волокна преформ влияют на поток смолы в RTM. Мы исследуем типы и архитектуры преформ, основы проницаемости, явления потока в двойном масштабе, отслеживание гонки, взаимодействия параметров процесса, стратегии оптимизации и методы вычислительного моделирования. Цель состоит в том, чтобы вооружить инженеров-производителей и дизайнеров композитов практическими знаниями для повышения надежности процесса и качества деталей.

Что такое клетчатые преформы? Структура, материалы и производство

Клетчатые преформы представляют собой сборки армирующих волокон, которые становятся структурным скелетом композитной части. Они обычно изготавливаются из углерода , стекла или арамида волокон, каждый из которых предлагает различные механические свойства, термостабильность и профиль стоимости. Архитектура преформы — то, как волокна расположены, переплетены и связаны — определяет как прочность конечного композита, так и то, насколько легко смола может проходить через пористую структуру.

Общие преформы архитектуры

  • Двунаправленное усиление, создаваемое переплетением варп- и уплотнительной пряжи. Равнинные, твил- и атласные ткачества предлагают различные степени обжимки и геометрии канала потока. Области сжатия могут создавать сужения, которые локально препятствуют потоку.
  • Неконкретные ткани (NCF): Сшиваемые или скрепленные слои однонаправленных волокон, ориентированных в нескольких направлениях. Поскольку волокна остаются прямыми, преформы NCF обычно демонстрируют более высокую проницаемость в плоскости, чем тканые эквиваленты, но сшивающие нити могут создавать предпочтительные пути потока.
  • Вязаные преформы: Корпусные структуры (винтовые или уплотнительные вязания), обеспечивающие высокую драпируемость и конформность сложных форм. Высококонтурная архитектура создает переменные размеры пор, которые могут усложнять равномерность потока.
  • Хищные преформы: Непрерывное оплетение создает трубчатые или плоские структуры с переплетенными волокнистыми дорожками.Угол оплетки сильно влияет как на механические свойства, так и на проницаемость.
  • Рэндомные коврики и нарезанные пряди: Нетканые компоновки прерывистых волокон. Несмотря на то, что они недороги и высокопроницаемы, они обеспечивают более низкую эффективность армирования и могут производить более высокое содержание пустоты, если не уплотняются должным образом.

Преформирование методов производства

Преформы создаются посредством текстильных процессов, таких как ткачество, вязание, плетение и сшивание, или с помощью методов на основе связующего, таких как 3D-преформирование или , предварительная накладка . В некоторых процессах термопластичное связующее наносится на волокна; во время стадии предварительного нагрева связующее плавится и сплавляет слои вместе, стабилизируя форму преформы для обработки и загрузки формы. Выбор типа связующего и распределения влияет как на проницаемость предварительной формы, так и на поведение конечной смолы.

Для преформ нетто-формы автоматическое размещение волокон (AFP) и специальное размещение волокон (TFP) позволяют точно ориентироваться на волокна, особенно для сложных геометрий. Эти методы добавляют слои с контролируемыми путями волокон, но каждый добавленный слой изменяет общую предформу сжимаемости и каналов потока.

Проницаемость: основной параметр, управляющий потоком смолы

Проницаемость — это мера того, насколько легко жидкость (смола) проходит через пористую среду (преформу) под градиентом давления. В RTM проницаемость описывается законом Дарси:

Q = - (K/μ) · ⁇ P

Где Q — скорость потока, K — тензор проницаемости, μ — вязкость смолы, а ⁇ P — градиент давления. тензор проницаемости K — анизотропный — он изменяется в зависимости от ориентации волокна. Проходимость в плоскости (направления x и y) обычно намного выше, чем проницаемость сквозной толщины (z-направление), потому что волокна лежат в основном в плоскости.

Факторы, влияющие на проницаемость преформ

  • Фракция объема волокна (Vf): По мере увеличения Vf пространство между волокнами (пористость) уменьшается, уменьшая проницаемость. Небольшое изменение Vf может резко изменить сопротивление потоку. Для типичных преформ RTM Vf колеблется от 40% до 65%.
  • Преобразовать уплотнение и гнездование: При укладке нескольких слоев волокна из одного слоя могут гнездиться в соседние слои, уменьшая межслойные промежутки. Этот эффект гнездования снижает проницаемость по толщине и может привести к тому, что поток внутри плоскости станет более извилистым.
  • Архитектура волокна: Тканые ткани с большими открытыми пространствами между буксировками позволяют быстрее протекать в плоскости, в то время как плотные плети или высококонкретные узоры ограничивают поток. Размер и форма межбашенных каналов (пространства между прядями пряжи) доминируют в проницаемости в тканых преформах.
  • Тоу-проницаемость: Поток также происходит внутри волоконных буксиров (внутрибашенный поток), управляемый микропористостью между отдельными нитями.Внутрибашенная проницаемость на порядки ниже межбашенной проницаемости, что приводит к поведению двухмасштабного потока.
  • История насыщения преформ: Как только смола начинает проникать, изменения в уплотнении или десатурации (например, из-за вакуума) изменяют проницаемость во время инъекции.

Измерение проницаемости преформы

Стандартные методы (ASTM D5678, ISO 16585) используют однонаправленные или радиальные проточные эксперименты. В однонаправленном методе преформа помещается в прямоугольный канал, смола вводится при постоянном давлении или скорости потока, а положение фронта потока отслеживается с течением времени. Проницаемость затем обратно вычисляется по закону Дарси. Испытания радиального потока инъекционной смолы в центре круговой преформы; эллиптическая форма фронта потока выявляет в плоскости анизотропию. Эти измерения чувствительны к условиям испытаний (давление со стороны, температура, дегазация смолы) и должны тщательно контролироваться, чтобы избежать артефактов от утечки ребра или искажения формы.

Для точного моделирования процесса требуется полный тензор проницаемости, включая внеплановый компонент. Приобретение надежных данных часто требует нескольких ориентаций испытаний и тщательного статистического анализа. Многие исследователи опубликовали базы данных проницаемости для общих архитектур тканей (например, стеклотканое ровирование, углеродный NCF), но изменчивость между партиями, поставщиками и методами обработки остается проблемой.

Двухмасштабный поток: меж- и внутри-сортовая инфильтрация

Поскольку преформы RTM состоят из пучков из тысяч нитей (ложек), разделенных большими промежутками, поток происходит в двух разных масштабах:

  1. Межбазовый поток: Смола перемещается по макропорам между волокнистыми буксами. Это доминирующий режим потока и определяет глобальную прогрессию фронта потока. Межбашенная проницаемость обычно в 10-1000 раз выше, чем внутрибашенная проницаемость.
  2. Внутрибашенный поток: Смола просачивается в микропоры внутри каждой буксировки. Это гораздо более медленный, управляемый капиллярами процесс. Внутрибашенный поток часто отстает от основного фронта потока, что приводит к явлению, называемому микропустотным образованием.

Когда межбашенный фронт продвигается быстрее, чем внутрибашенное насыщение, воздух может попасть внутрь букс. Эти микропустыни ухудшают механические свойства, особенно прочность на сжатие и усталость жизни. И наоборот, если силы капилляров сильны (смола низкой вязкости, малые диаметры нити), внутрибашенный поток может опережать межбазовый поток, оставляя макропусты в межбандльных каналах. капиллярное число (Ca = μU/σ, где U - скорость потока и σ - поверхностное натяжение смолы) помогает предсказать, какой тип пустоты будет доминировать. При низких капиллярных числах преобладают микропусты; при высоких числах макропусты более распространены.

Для смягчения дефектов двойного масштаба необходимо настроить параметры процесса, такие как давление впрыска, скорость потока и уровень вакуума. Медленные скорости впрыска позволяют больше времени для внутрибашенного фиксирования, уменьшения захваченного воздуха. Альтернативно, использование комбинации вакуума и давления или включение среды, улучшающей поток, может изменить баланс между меж- и внутрибазовым потоком. Понимание поведения двухуровневой формы имеет важное значение для разработки надежных процессов RTM, которые производят свободные от пустоты части.

Race-Tracking: эффекты края и предпочтительные пути движения

Гоночная трассировка происходит, когда смола течет быстрее по определенным путям - обычно на краях преформы, между слоями или вокруг вставок - чем через основную преформу. Эти предпочтительные каналы могут привести к тому, что фронт потока достигнет вентиляционных отверстий преждевременно, что приведет к большим сухим пятнам, захвату воздуха и неполному заполнению плесени. Гоночная трассировка является одним из наиболее распространенных дефектов в RTM и сильно зависит от характеристик преформы.

Причины гонки-трекинга

  • Разрывы между преформой и стенкой формы: Если преформа не идеально подходит к краям формы, тонкий зазор (даже 0,1 мм) действует как канал с высокой проницаемостью.
  • Межслойные зазоры: В сложенных преформах неполное вложенность или наличие пленок связующего может создавать локальные зоны высокой проницаемости между слоями.
  • Преобразовать морщины или несоответствие: Морщины создают складчатые каналы, которые мчатся впереди основного фронта.
  • Вставные поверхности: Такие материалы, как пенопластовые или металлические вставки, часто имеют различные характеристики проницаемости, чем преформа волокна, создавая интерфейсные каналы.

Стратегии смягчения

Минимизация трекинга начинается с точного изготовления преформ: точная резка, тщательная обработка и равномерное укладка. Использование преформ с интегрированными уплотнениями края или применение клеев по периметру формы может закрыть зазоры. Модификации процесса включают:

  • Снижение давления впрыска для замедления продвижения вперед и предоставления времени для поперечного потока, чтобы выровнять фронт.
  • Добавление слоев увеличения потока (например, пористых носителей или каналов распределения), которые способствуют равномерному заполнению.
  • Размещение вентиляционных отверстий или дополнительных инъекционных ворот вблизи известных зон отслеживания гонки для перенаправления потока.
  • Использование RTM с компрессионным управлением, где плесень слегка открывается во время инъекции, чтобы обеспечить лучшую пропитку.

Инструменты моделирования, которые включают в себя модель отслеживания гонки (например, тонкий зазорный элемент), ценны для прогнозирования проблемных мест и оптимизации размещения ворот / вентиляционных отверстий перед конструкцией формы.

Влияние преформенной деформации во время замыкания плесени

Во время RTM форма закрывается со значительной силой, чтобы уплотнить преформу до желаемой фракции объема волокна. Это уплотнение в сочетании с драпированием преформы по трехмерным признакам (резинки, кривизна, изменения толщины) вызывает деформацию : волокна сжимаются, сдвигаются и могут подвергаться вложению. Эти деформации изменяют местную проницаемость.

Эффекты компаунда

По мере закрытия формы толщина формы уменьшается, а фракция объема волокна растет неравномерно. Проницаемость очень чувствительна к Vf: увеличение на 10% Vf может снизить проницаемость в пять или более раз. Регионы с высоким уплотнением (например, под боссом или вблизи крутого угла сквозняка) становятся ограничителями потока, в то время как слабо уплотненные области могут позволять отслеживать гонки. Поведение уплотнения различных архитектур преформ варьируется - плетеные ткани обычно сжимаются более первоначально, но быстро застывают, в то время как слои NCF сжимаются более равномерно.

Стричь и стричь

При задрапировании преформы над двукривой поверхностью происходит сдвига плоскости. Сдвига изменяет ориентацию волокнистых буксиров и форму межвысотных каналов. В тканых тканях сдвига уменьшает размер канала и повышает сопротивление потока в направлении сдвига, при этом перпендикулярная к направлению сдвига проницаемость может увеличиваться за счет расширения канала. Для простых тканых тканей угол сдвига 30° может изменять проницаемость более чем на 50%. Эти локальные вариации должны учитываться в симуляциях.

Вставание между слоями

При укладке нескольких слоев укладка волокон в соседние слои уменьшает объем межслойных пор. На укладку может влиять последовательность укладки, межслойное трение и наличие связующего. Более высокое гнездование снижает проницаемость по толщине и увеличивает неоднородность. Некоторые производители преформ теперь предлагают методы «нано-стичения» или туфтинга для повышения устойчивости к расслоению при контроле гнездования и проницаемости.

Экспериментально охарактеризовать деформированную проницаемость перед формой сложно. Однако достижения в области цифровой корреляции изображений (DIC) и микро-КТ-сканирования теперь позволяют исследователям измерять локальную ориентацию волокон и структуру пор, вводя реалистичные модели проницаемости в моделирование процессов.

Параметры процессов, которые взаимодействуют с свойствами предварительной формы

Хотя архитектура преформы является основным детерминантом потока, параметры процесса могут быть скорректированы для компенсации неоптимального поведения преформы.

  • Давление и скорость потока: Более высокое давление увеличивает скорость потока, но может усугубить отслеживание гонки и вызвать движение преформы (вымывание). Стратегии постоянного давления против постоянного расхода оказывают различное влияние на образование пустот. Общий подход заключается в том, чтобы сначала вводить с низкой скоростью потока для содействия насыщению внутри башен, а затем увеличивать скорость, как только преформа полностью смачивают.
  • Вязкость смолы: Смолы с более низкой вязкостью проникают легче, но также усугубляют образование микропустоты из-за более высоких капиллярных чисел. Более высокая вязкость снижает отслеживание гонки, но требует более высоких давлений инъекции. Контроль температуры смолы и плесени может использоваться для корректировки вязкости in situ.
  • Вакуумная помощь: Применение вакуума на стороне вентиляции снижает давление в спине и помогает тянуть смолу в плотные пространства, особенно через толщину. Вакуум также помогает удалять воздух из преформы перед инъекцией. Однако чрезмерно сильный вакуум может уплотнить преформу преждевременно, уменьшая проницаемость.
  • Температура пресс-формы: Нагрев пресс-формы снижает вязкость смолы и ускоряет отверждение. Однако неравномерные температуры пресс-формы приводят к неоднородной вязкости и фронтам потока, потенциально вызывая дефекты. Изотермические и неизотермические процессы RTM требуют тщательного термического анализа.
  • Расположение вентиляционных отверстий: Положения вентиляционных отверстий и вентиляционных отверстий должны соответствовать шаблонам проницаемости предварительной формы. Для анизотропных преформ ворота должны быть расположены вблизи направления высокой проницаемости для ускорения заполнения, в то время как отверстия должны быть расположены в областях, наконец-то заполненных.

Мониторинг процессов в режиме реального времени — с помощью датчиков давления, диэлектрических датчиков или волоконно-оптических датчиков — позволяет осуществлять адаптивное управление. Если фронт потока отклоняется от ожидаемого шаблона, давление впрыска или скорость потока могут регулироваться динамически. Такие системы замкнутого цикла становятся все более распространенными в высокопроизводительных линиях RTM.

Вычислительное моделирование потока смолы в преформах

Моделирование наполнения RTM в настоящее время является стандартным инструментом для оптимизации процессов. Большинство коммерческих программ (например, PAM-RTM, RTM-Worx, COMSOL, Abaqus) решает закон Дарси о сетке конечных элементов, которая представляет полость формы и преформу. Ключевые входы включают тензор проницаемости преформы, пористость (функция Vf) и вязкость смолы как функции температуры и степени излечения.

Проблемы в моделировании

  • Измеренные значения проницаемости часто показывают высокое рассеяние (коэффициент вариации 20-50%). Использование одного значения игнорирует локальную неоднородность. Подходы стохастического моделирования, где проницаемость рассматривается как случайное поле, улучшают прогнозирование местонахождения дефектов.
  • Двухмасштабное моделирование: Для решения как меж-, так и внутриузлового потока требуется либо детальная микромасштабная модель (вычислительно дорогостоящая), либо двухмасштабный непрерывный подход с двумя проницаемостями. Многие модели используют единую эффективную проницаемость, которая не захватывает образование микропустоты.
  • Деформационная связь: Большинство моделей предполагают фиксированную геометрию преформы, но в действительности уплотнение и проницаемость сдвига при впрыске.Модели спаренной деформации потока появляются, но еще не являются стандартными в промышленности.
  • Включение в трекинг: Представление краевых зазоров или межслойных каналов в качестве тонких элементов с высокой проницаемостью требует ввода пользователем о размере зазора и местоположении. Автоматическое обнаружение из предварительных сканирований является темой исследования.

Несмотря на эти проблемы, моделирование резко снижает пробные ошибки при разработке процесса. Инженеры могут виртуально оценить десятки конфигураций ворот / вентиляционных отверстий, определить потенциальные сухие пятна и оптимизировать профили впрыска перед резкой стали. Для сложных деталей моделирование может сократить время разработки на 30-50% и минимизировать отходы.

Стратегии оптимизации для предварительного проектирования и процесса RTM

Производители используют комбинацию предварительной конструкции и настройки процесса для достижения надежных, не имеющих пустоты деталей. Широко используются следующие подходы:

Оптимизация уровня преформы

  • Архитектура из волокна: Использование градиентных или гибридных преформ — например, сочетание высокопроницаемых тканей в областях с медленным заполнением с низкопроницаемыми тканями в областях с быстрым потоком — уравновешивает фронт потока. Аддитивное производство позволяет создавать 3D-печатные преформы с локально контролируемой пористостью.
  • Оптимизация связующих: Распределение связующих и температура активации влияют на удержание формы и проницаемость формы. Слишком много связующего может блокировать каналы потока; слишком мало приводит к сдвигу формы. Распыленные порошковые связующие имеют разные эффекты.
  • Слои повышения потока: Включение высокопористой проточной среды (например, грубой скрам- или перфорированной пленки) на одной или обеих сторонах преформы ускоряет поток в плоскости без ущерба для фракции объема волокна. Этот метод распространен в крупных корнях лопастей ветряных турбин.
  • Краевая герметизация: Применение границы низкой проницаемости по периметру предварительной формы заставляет смолу течь через объем, а не гоняться по краям. Это может быть сделано с помощью отдельной тканевой полосы или путем локальной инфильтрации резистивной смолой.

Оптимизация уровня процесса

  • Настройка профиля впрыска: Многоступенчатая инъекция (первоначально низкое давление/высокий вакуум, затем повышенное давление) может минимизировать образование пустот. Некоторые производители используют импульсную инъекцию для многократного давления и снятия, способствуя эвакуации воздуха.
  • Переменная температура плесени: Местное нагревание областей с медленным заполнением снижает вязкость и улучшает поток. Для этого требуются сегментированные зоны нагрева плесени, которые увеличивают сложность инструмента.
  • Компрессия-RTM и литье под давлением: В этих вариантах форма частично открыта во время инъекции, а затем закрыта дальше во время или после заполнения. Это снижает сопротивление потоку и позволяет увеличить объемные фракции волокна при сохранении заполняемости.
  • Контроль в реальном времени и внутрипроцессное зондирование: Встраивание датчиков в преформу или форму обеспечивает обратную связь на переднем положении потока и местном давлении. Алгоритмы могут регулировать параметры впрыска на лету для коррекции отклонений, метод, известный как «умный RTM».

Пример: углеродное волокно NCF преформы в автомобильной конструкции крыши

Рассмотрим легкую автомобильную панель крыши, изготовленную из 5 слоев неконструированной ткани из углеродного волокна (0°/45°/90°/-45°/0°) с номинальной фракцией объема волокна 55%. Первоначальные испытания RTM с использованием постоянного давления впрыска 6 бар привели к сильному микро-пустоту вблизи входа и сухому месту в противоположном углу из-за трекинга гонки вдоль сшитых краев преформы. Переключаясь на 2-ступенчатый впрыск (2 бара в течение 30 секунд, затем 8 бар), улучшилось внутрибуквенное смачивание и содержание пустоты упало с 12% до менее 2%. Кроме того, применение 5-мм широкой кромки силикона вулканизации комнатной температуры по периметру плесени устранило трекинг, обеспечивая полное заполнение каждого цикла. Это демонстрирует, как понимание взаимодействий преформы с потоком приводит к практическим, недорогим решениям.

Вывод: интеграция предварительного дизайна и управления потоками для высококачественных композитов

Влияние преформ волокна на динамику потока смолы в процессах RTM глубоко и многогранно. От макромасштабной проницаемости, обусловленной архитектурой волокна, до поведения двойного потока в микромасштабе внутри буксировки каждый аспект преформы влияет на то, как смола проникает в форму. Отслеживание гонки, деформация во время уплотнения и анизотропия являются общими проблемами, которые, если не решать, приводят к дефектам, таким как пустоты, сухие пятна и неполное наполнение.

Однако, систематически характеризуя свойства преформы - проницаемость, сжимаемость, поведение сдвига - и связь, что знания с соответствующими параметрами процесса (профиль впрыска, температура, вакуум), производители могут достичь надежных, высокопроизводительных процессов RTM. Расширенные инструменты моделирования, интеграция датчиков и адаптивное управление далее раздвигают границы того, что возможно. По мере того, как составные приложения растут в сложности и объеме, способность разрабатывать преформы специально для оптимального потока станет конкурентным преимуществом.

Для дальнейшего чтения по характеристике проницаемости и моделированию, проконсультируйтесь с всеобъемлющим обзором DeValve и Pitchumani (2020) в Композитной части A . Лучшие отраслевые практики для проектирования инструментов RTM изложены в Руководство по регулированию RTM в CompositesWorld . Для проверки подходов к моделированию NIAR RTM Benchmark Studies предоставляют обширные экспериментальные наборы данных.

В конечном счете, синергия между дизайном предварительной формы и контролем потока смолы - это то, что отделяет надежный процесс RTM от процесса, страдающего от утилизации и переработки. Инвестирование в технологию предварительной формы - будь то через новые архитектуры, автоматизацию точного прокладки или науку о связующем - выплачивает дивиденды в части качества, времени цикла и последовательности производства.