Derzeit gibt es viele Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffstrukturen, die auf die Herstellung und Herstellung unterschiedlicher Strukturen angewendet werden können.Angesichts der industriellen Produktionseffizienz und der Produktionskosten der Luftfahrtindustrie, insbesondere der Zivilflugzeuge, ist es jedoch dringend erforderlich, den Aushärtungsprozess zu verbessern, um Zeit und Kosten zu reduzieren.Rapid Prototyping ist eine neue Fertigungsmethode, die auf den Prinzipien der diskreten und gestapelten Formung basiert und eine kostengünstige Rapid-Prototyping-Technologie darstellt.Zu den gängigen Technologien gehören Formpressen, Flüssigformen und Formen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen.
1. Formpressen-Rapid-Prototyping-Technologie
Bei der Rapid-Prototyping-Technologie des Formens handelt es sich um einen Prozess, bei dem vorab gelegte Prepreg-Rohlinge in die Form eingelegt werden und nach dem Schließen der Form die Rohlinge durch Erhitzen und Druck verdichtet und verfestigt werden.Die Formgeschwindigkeit ist hoch, die Produktgröße ist genau und die Formqualität ist stabil und gleichmäßig.In Kombination mit der Automatisierungstechnologie kann eine Massenproduktion, Automatisierung und kostengünstige Herstellung von Strukturbauteilen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen im Bereich der Zivilluftfahrt erreicht werden.
Formschritte:
① Besorgen Sie sich eine hochfeste Metallform, die den Abmessungen der für die Produktion erforderlichen Teile entspricht, und installieren Sie die Form dann in einer Presse und erhitzen Sie sie.
② Formen Sie die erforderlichen Verbundmaterialien in die Form der Form vor.Das Vorformen ist ein entscheidender Schritt, der dazu beiträgt, die Leistung fertiger Teile zu verbessern.
③ Legen Sie die vorgeformten Teile in die erhitzte Form ein.Anschließend wird die Form mit einem sehr hohen Druck komprimiert, der typischerweise zwischen 800 psi und 2000 psi liegt (abhängig von der Dicke des Teils und der Art des verwendeten Materials).
④ Nachdem Sie den Druck abgelassen haben, nehmen Sie das Teil aus der Form und entfernen Sie alle Grate.
Vorteile des Formens:
Aus verschiedenen Gründen ist das Formen eine beliebte Technologie.Ein Grund für die Beliebtheit liegt unter anderem darin, dass fortschrittliche Verbundwerkstoffe verwendet werden.Im Vergleich zu Metallteilen sind diese Materialien oft stärker, leichter und korrosionsbeständiger, was zu Objekten mit besseren mechanischen Eigenschaften führt.
Ein weiterer Vorteil des Formens ist die Möglichkeit, sehr komplexe Teile herzustellen.Obwohl diese Technologie die Produktionsgeschwindigkeit des Kunststoffspritzgusses nicht vollständig erreichen kann, bietet sie im Vergleich zu typischen laminierten Verbundmaterialien mehr geometrische Formen.Im Vergleich zum Kunststoffspritzguss ermöglicht es auch längere Fasern, wodurch das Material stärker wird.Daher kann das Formen als Mittelweg zwischen Kunststoffspritzguss und der Herstellung laminierter Verbundmaterialien angesehen werden.
1.1 SMC-Umformprozess
SMC ist die Abkürzung für Sheet Metal Forming Composite Materials, also blechbildende Verbundwerkstoffe.Die Hauptrohstoffe bestehen aus SMC-Spezialgarn, ungesättigtem Harz, schrumpfarmen Additiven, Füllstoffen und verschiedenen Additiven.In den frühen 1960er Jahren erschien es erstmals in Europa.Um 1965 entwickelten die USA und Japan nacheinander diese Technologie.In den späten 1980er Jahren führte China fortschrittliche SMC-Produktionslinien und -Prozesse aus dem Ausland ein.SMC bietet Vorteile wie überlegene elektrische Leistung, Korrosionsbeständigkeit, geringes Gewicht sowie ein einfaches und flexibles technisches Design.Seine mechanischen Eigenschaften können mit denen bestimmter Metallmaterialien vergleichbar sein, weshalb es in Branchen wie Transport, Bauwesen, Elektronik und Elektrotechnik weit verbreitet ist.
1.2 BMC-Formungsprozess
1961 wurde die von der Bayer AG in Deutschland entwickelte ungesättigte Harz-Plattenformmasse (SMC) auf den Markt gebracht.In den 1960er Jahren begann die Förderung von Bulk Moulding Compound (BMC), in Europa auch als DMC (Dough Moulding Compound) bekannt, das in seinen frühen Stadien (1950er Jahre) nicht eingedickt wurde;Nach amerikanischer Definition handelt es sich bei BMC um verdicktes BMC.Nach der Akzeptanz europäischer Technologie erzielte Japan bedeutende Erfolge bei der Anwendung und Entwicklung von BMC, und in den 1980er Jahren war die Technologie bereits sehr ausgereift.Bisher wurde als Matrix in BMC ungesättigtes Polyesterharz verwendet.
BMC gehört zu den duroplastischen Kunststoffen.Basierend auf den Materialeigenschaften sollte die Temperatur des Materialzylinders der Spritzgießmaschine nicht zu hoch sein, um den Materialfluss zu erleichtern.Daher ist beim Spritzgussprozess von BMC die Kontrolle der Temperatur des Materialzylinders sehr wichtig, und es muss ein Kontrollsystem vorhanden sein, um die Eignung der Temperatur sicherzustellen, um die optimale Temperatur vom Zufuhrbereich bis zum zu erreichen Düse.
1.3 Formen aus Polycyclopentadien (PDCPD).
Beim Formen aus Polycyclopentadien (PDCPD) handelt es sich meist um eine reine Matrix und nicht um verstärkten Kunststoff.Das 1984 eingeführte PDCPD-Formverfahrensprinzip gehört zur gleichen Kategorie wie das Formen von Polyurethan (PU) und wurde erstmals in den USA und Japan entwickelt.
Telene, eine Tochtergesellschaft des japanischen Unternehmens Zeon Corporation (mit Sitz in Bondues, Frankreich), hat große Erfolge in der Forschung und Entwicklung von PDCPD und seinen kommerziellen Aktivitäten erzielt.
Der RIM-Formprozess selbst lässt sich einfacher automatisieren und verursacht geringere Arbeitskosten im Vergleich zu Prozessen wie FRP-Spritzen, RTM oder SMC.Die Formkosten für PDCPD RIM sind viel niedriger als die für SMC.Beispielsweise verwendet die Motorhaubenform des Kenworth W900L eine Nickelschale und einen Aluminiumgusskern mit einem Harz niedriger Dichte mit einem spezifischen Gewicht von nur 1,03, was nicht nur die Kosten, sondern auch das Gewicht senkt.
1.4 Direkte Online-Umformung faserverstärkter thermoplastischer Verbundwerkstoffe (LFT-D)
Um 1990 wurde LFT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics Direct) in Europa und Amerika auf den Markt gebracht.Die CPI Company in den Vereinigten Staaten ist das weltweit erste Unternehmen, das direkte Inline-Formanlagen für langfaserverstärkte thermoplastische Verbundstoffe und entsprechende Technologie (LFT-D, Direct In Line Mixing) entwickelt hat.Das Unternehmen nahm 1991 den kommerziellen Betrieb auf und ist auf diesem Gebiet weltweit führend.Diffenbarcher, ein deutsches Unternehmen, forscht seit 1989 an der LFT-D-Technologie. Derzeit gibt es hauptsächlich LFT D, Tailored LFT (das eine lokale Verstärkung basierend auf Strukturspannung erreichen kann) und Advanced Surface LFT-D (sichtbare Oberfläche, hohe Oberfläche). Qualität) Technologien.Aus Sicht der Produktionslinie ist das Niveau der Dieffenbarcher-Presse sehr hoch.Das D-LFT-Extrusionssystem der Firma German Cooperation nimmt international eine Spitzenposition ein.
1.5 Mouldless Casting Manufacturing Technology (PCM)
PCM (Patternless Casting Manufacturing) wird vom Laser Rapid Prototyping Center der Tsinghua-Universität entwickelt.Die Rapid-Prototyping-Technologie sollte auf herkömmliche Harzsandgussverfahren angewendet werden.Erhalten Sie zunächst das Guss-CAD-Modell aus dem Teil-CAD-Modell.Die STL-Datei des CAD-Gussmodells wird geschichtet, um Querschnittsprofilinformationen zu erhalten, die dann zur Generierung von Steuerinformationen verwendet werden.Während des Formvorgangs sprüht die erste Düse den Klebstoff computergesteuert präzise auf jede Sandschicht, während die zweite Düse den Katalysator entlang derselben Bahn sprüht.Die beiden gehen eine Bindungsreaktion ein, die den Sand Schicht für Schicht verfestigt und einen Haufen bildet.Der Sand in dem Bereich, in dem Klebstoff und Katalysator zusammenwirken, verfestigt sich gemeinsam, während der Sand in anderen Bereichen in einem körnigen Zustand verbleibt.Nach dem Aushärten einer Schicht wird die nächste Schicht verklebt, und nachdem alle Schichten verklebt sind, entsteht eine räumliche Einheit.An den Stellen, an denen der Kleber nicht aufgesprüht ist, handelt es sich bei dem ursprünglichen Sand noch um trockenen Sand, der sich leichter entfernen lässt.Durch Auswaschen des ungehärteten, trockenen Sandes in der Mitte kann eine Gussform mit einer bestimmten Wandstärke erhalten werden.Nach dem Auftragen oder Imprägnieren von Farbe auf die Innenfläche der Sandform kann diese zum Gießen von Metall verwendet werden.
Der Aushärtetemperaturpunkt des PCM-Prozesses liegt normalerweise bei etwa 170 °C.Das eigentliche Kaltverlegen und Kaltabisolieren im PCM-Verfahren unterscheidet sich vom Formen.Bei der Kaltverlegung und Kaltentschichtung wird das Prepreg entsprechend den Produktstrukturanforderungen schrittweise auf die Form gelegt, wenn sich die Form am kalten Ende befindet, und dann wird die Form nach Abschluss der Verlegung mit der Formpresse geschlossen, um einen bestimmten Druck bereitzustellen.Zu diesem Zeitpunkt wird die Form mithilfe einer Formtemperaturmaschine aufgeheizt. Der übliche Prozess besteht darin, die Temperatur von Raumtemperatur auf 170 °C zu erhöhen, und die Heizrate muss je nach Produkt angepasst werden.Die meisten von ihnen bestehen aus diesem Kunststoff.Wenn die Formtemperatur die eingestellte Temperatur erreicht, werden Isolierung und Druckkonservierung durchgeführt, um das Produkt bei hoher Temperatur auszuhärten.Nach Abschluss der Aushärtung ist es außerdem erforderlich, die Formtemperatur mithilfe einer Formtemperaturmaschine auf Normaltemperatur abzukühlen, und die Heizrate wird ebenfalls auf 3–5 ℃/min eingestellt. Anschließend wird mit dem Öffnen der Form und der Teileentnahme fortgefahren.
2. Flüssigkeitsformungstechnologie
Unter Liquid Forming Technology (LCM) versteht man eine Reihe von Technologien zur Formung von Verbundwerkstoffen, bei denen zunächst trockene Faservorformlinge in einen geschlossenen Formhohlraum eingebracht werden und nach dem Schließen der Form flüssiges Harz in den Formhohlraum eingespritzt wird.Unter Druck fließt das Harz und durchtränkt die Fasern.Im Vergleich zum Heißpressen von Dosenformverfahren bietet LCM viele Vorteile, wie z. B. die Eignung für die Herstellung von Teilen mit hoher Maßgenauigkeit und komplexem Erscheinungsbild;Niedrige Herstellungskosten und einfache Bedienung.
Insbesondere das in den letzten Jahren entwickelte Hochdruck-RTM-Verfahren HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Molding), abgekürzt als HP-RTM-Formverfahren.Es bezieht sich auf den Formprozess, bei dem Harz unter hohem Druck gemischt und in eine vakuumversiegelte Form eingespritzt wird, die mit faserverstärkten Materialien und vorab eingebetteten Komponenten vorgefüllt ist, und anschließend durch Fließfüllung, Imprägnierung, Aushärtung und Entformung mit Harz Verbundwerkstoffprodukte erhalten werden .Durch die Verkürzung der Einspritzzeit wird erwartet, dass die Herstellungszeit von Strukturbauteilen für die Luftfahrt innerhalb von mehreren zehn Minuten kontrolliert werden kann, wodurch ein hoher Fasergehalt und eine leistungsstarke Teilefertigung erreicht werden.
Das HP-RTM-Umformverfahren ist eines der in zahlreichen Branchen weit verbreiteten Umformverfahren für Verbundwerkstoffe.Seine Vorteile liegen in der Möglichkeit, im Vergleich zu herkömmlichen RTM-Verfahren eine kostengünstige, kurze Massenproduktion und eine qualitativ hochwertige Produktion (mit guter Oberflächenqualität) zu erreichen.Es wird häufig in verschiedenen Branchen eingesetzt, beispielsweise im Automobilbau, im Schiffbau, im Flugzeugbau, in landwirtschaftlichen Maschinen, im Schienenverkehr, in der Windenergieerzeugung, bei Sportartikeln usw.
3. Technologie zur Bildung thermoplastischer Verbundwerkstoffe
In den letzten Jahren haben sich thermoplastische Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Schlagfestigkeit, hoher Zähigkeit, hoher Schadenstoleranz und guter Hitzebeständigkeit zu einem Forschungsschwerpunkt im Bereich der Verbundwerkstoffherstellung im In- und Ausland entwickelt.Durch das Schweißen mit thermoplastischen Verbundwerkstoffen kann die Anzahl der Niet- und Bolzenverbindungen in Flugzeugstrukturen erheblich reduziert werden, was die Produktionseffizienz erheblich verbessert und die Produktionskosten senkt.Laut Airframe Collins Aerospace, einem erstklassigen Zulieferer von Flugzeugstrukturen, haben nicht heißgepresste, schweißbare thermoplastische Strukturen das Potenzial, den Herstellungszyklus im Vergleich zu Metall- und duroplastischen Verbundkomponenten um 80 % zu verkürzen.
Die Verwendung der am besten geeigneten Materialmenge, die Auswahl des wirtschaftlichsten Prozesses, die Verwendung von Produkten in den entsprechenden Teilen, das Erreichen vorgegebener Designziele und das Erreichen des idealen Leistungs-Kosten-Verhältnisses von Produkten waren schon immer die Richtung der Bemühungen für Praktiker von Verbundwerkstoffen.Ich glaube, dass in Zukunft weitere Formverfahren entwickelt werden, um den Anforderungen des Produktionsdesigns gerecht zu werden.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 21. November 2023
