Magnet unterstützt Composite Fertigung: Eine Flexible neue Technik für die Erreichung hoher Konsolidierungsdruck im Vakuum Tasche/Lay-Up-Prozesse

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mit einer magnetgestützten Composite-Fertigungstechnik (MACM-Technik) die Qualität von Nass-Lay-up-Vakuumbeutel-Verbundlaminaten durch Anwendung eines hohen Konsolidierungsdrucks während der Laminatherstellung deutlich zu verbessern. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass es sich um eine kostengünstige und einfache Möglichkeit zur Herstellung von Verbundlaminaten handelt und dass große, geometrisch komplexe Teile relativ einfach hergestellt werden können. Dieses Verfahren ist nicht nur in Nassschicht-Vakuumbeutelprozessen, sondern auch in anderen Verbundwerkstoffherstellungstechniken wie dem Prepreg-Aushärten außerhalb des Autoklaven und dem vakuumunterstützten Harztransferformen vielseitig einsetzbar.

Die Schichtvorbereitung sowie die Anordnung und Platzierung von Magneten sind ohne visuelle Demonstration schwer zu erlernen. Wir glauben, dass diese Präsentation anderen Forschern helfen wird, MACM zur Herstellung von Hochleistungs-Verbundlaminaten zu implementieren. Um den Vorgang zu beginnen, platzieren Sie vorsichtig 25 N52-Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete von einem Zoll x 1/2 Zoll in einer quadratischen Konfiguration von fünf x fünf in wechselnder Polarität auf einer magnetischen Stahlplatte von 12 Zoll x 6 x 3/16 Zoll.

Schneiden Sie mit einem Rotationsgewebeschneider sechs Lagen glasfaser in Leinwandbindung und rühren Sie dann 40 Gramm Epoxidharz und 10,96 Gramm Harzhärter bei 350 U/min zusammen, bis alles vollständig vermischt ist. Entgasen Sie das Harz 15 Minuten lang, um die während des Mischvorgangs eingeschlossene Luft zu entfernen. Legen Sie dann eine 0,3 Millimeter dicke, acht Zoll mal sechs Zoll große Aluminiumplatte, die mit PTFE-Trennmittel vorbeschichtet ist, in die Mitte einer 10 1/2 Zoll x 8 1/2 Zoll großen perforierten Trennfolie.

Kleben Sie die Ränder der Dichtungsplatte mit einem halben Zoll breiten Polyesterband auf die Trennfolie. Befestigen Sie als Nächstes ein selbstklebendes flexibles Silikon-Heizblech an einer Seite einer 1/4 Zoll dicken Werkzeugstahlplatte der Serie 400. Decken Sie einen 17 x 11 Zoll großen Bereich auf der anderen Seite der Stahlplatte mit einer 0,003 Zoll dicken, nicht porösen, PTFE-beschichteten Glasfaser-Trennfolie ab.

Umranden Sie den Bereich mit 1/2 Zoll breitem doppelseitigem Dichtband, das für das Vakuumieren entwickelt wurde. Tragen Sie gerade so viel entgastes Harz auf eine Fläche von sechs x acht Zoll auf, um eine einzelne Schicht der Leinwandglasfaser zu befeuchten. Legen Sie eine einzelne Schicht des Gewebes auf das Harz und verwenden Sie eine Rolle, um überschüssiges Harz zu drücken und auszudrücken.

Gießen Sie zusätzliches Harz auf den Stoff und verteilen Sie das Harz mit einem Rakel auf dem Stoff, bis das Faserbett vollständig gesättigt ist. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die restlichen fünf Lagen Glasfaser, wobei Sie für jede Lage ungefähr die gleiche Menge Harz verwenden. Legen Sie dann die Kesselplatte auf eine Faservorform.

Kleben Sie die Ränder der angebrachten Trennfolie mit Polyesterband fest. Legen Sie zwei Schichten 16 x 10 Zoll großes Entlüftungstuch auf die Trennfolie. Platzieren Sie das untere Teil eines zweiteiligen Aluminium-Twist-Lock-Vakuumventils auf dem Entlüftungstuch und stellen Sie sicher, dass das Ventil mindestens 15,3 Zentimeter von der gesättigten Vorform entfernt ist, um den Kontakt mit überschüssigem Harz zu vermeiden.

Entfernen Sie die Rückseite des Dichtbandes. Legen Sie die Vakuumfolie über die Montage und drücken Sie die Kanten fest gegen das Dichtband. Verbinden Sie dann das obere Teil des Vakuumventils mit einer Vakuumpumpe, die mit einem Druckregler ausgestattet ist.

Schneiden Sie einen kleinen Schlitz in die Vakuumbeutelfolie über dem unteren Teil des Ventils. Setzen Sie das obere Teil des Ventils in das untere Stück ein und drehen Sie das obere Teil vorsichtig, um es zu verriegeln, ohne den Vakuumbeutel zu falten. Starten Sie die Vakuumpumpe, warten Sie, bis sich der Druck bei 93 Kilo Pascal stabilisiert hat, und überprüfen Sie das System auf Dichtheiten.

Klemmen Sie alle vier Seiten der Bodenplatte an eine Stützbasis, um die Baugruppe zu fixieren. Lassen Sie das Laminat unter konstantem Vakuum 45 Minuten bei Raumtemperatur aushärten. Platzieren Sie dann vorsichtig die Anordnung der Permanentmagnete auf dem Vakuumbeutel und achten Sie darauf, dass die Magnete richtig auf den Faserstapel ausgerichtet sind.

Erhöhen Sie die Temperatur der Bodenplatte auf 60 Grad Celsius bei fünf Grad Celsius pro Minute. Härten Sie das Laminat acht Stunden lang bei dieser Temperatur aus. Wenn die Aushärtung abgeschlossen ist, lassen Sie das Vakuum los, entfernen Sie den Vakuumbeutel und entformen Sie das Kompositlaminat.

Um den Messvorgang zu starten, befestigen Sie eine Stahlbodenplatte an der beweglichen Querstange eines mechanischen Prüfinstruments, das mit einer 1.000-Pfund-Kraftwägezelle und einem linearen variablen Differentialtransformator ausgestattet ist. Befestigen Sie eine Deckplatte aus Stahl an der Wägezelle. Stellen Sie sicher, dass die untere Stahlplatte mindestens 25 Millimeter von der oberen Platte entfernt ist.

Platzieren Sie dann vorsichtig einen Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten auf der Bodenplatte. Beginnen Sie, die Bodenplatte mit ein bis zwei Millimetern pro Minute nach oben zu bewegen. Erfassen Sie die erzeugte Magnetkraft und die Verschiebung über die Zeit.

Überwachen Sie die magnetischen Verdichtungskraftmessungen weiter, bis der Magnet fast die obere Platte berührt. Stoppen Sie dann den Test und berechnen Sie den magnetischen Verdichtungsdruck über den Spalt. Um mit der Dichtebestimmung zu beginnen, schneiden Sie drei Proben aus einer Laminatprobe gemäß den ASTM-Spezifikationen.

Jede Probe wird in ein Becherglas gegeben, das 300 Milliliter einer wässrigen, transparenten schweren Flüssigkeit enthält. Legen Sie die Kompositprobe in das Becherglas und stellen Sie sicher, dass die Probe auf der Flüssigkeit schwimmt. Geben Sie drei Milliliter destilliertes Wasser in die Flüssigkeit und rühren Sie die Lösung fünf Minuten lang bei 1.000 U/min.

Auf diese Weise wird so lange Wasser zugegeben, bis die Kompositprobe in der Mischung suspendiert ist, was darauf hinweist, dass die Dichte der Lösung der Dichte der Probe entspricht. Verwenden Sie einen Becher mit spezifischem Gewicht, um die Dichte der Lösung zu bestimmen. Um mit dem Abbrennen des Harzes zu beginnen, legen Sie jede Probe in einen separaten Porzellantiegel.

Messen und notieren Sie die Gewichte der Proben sowie der Tiegel und stellen Sie die Tiegel dann in einen Ofen. Erhitzen Sie den Ofen auf 1.112 Grad Fahrenheit oder 600 Grad Celsius bei etwa 10 Grad Celsius pro Minute und lassen Sie das Harz vier Stunden lang abbrennen. Schalten Sie anschließend den Ofen aus und öffnen Sie vorsichtig die Ofentür.

Lassen Sie den Ofen auf Raumtemperatur abkühlen. Nehmen Sie dann die abgekühlten Tiegel aus dem Ofen und wiegen Sie die zurückgewonnenen Glasfasern, um die Gewichtsanteile der Faser und des Harzes zu berechnen. Der gemessene magnetische Druck, der von einem Neodym-Eisen-Bor-Magneten in Abhängigkeit vom Spalt zwischen den Platten erzeugt wird, stimmte gut mit dem vom Lieferanten bereitgestellten Datenblatt überein und bestätigte, dass ein erhöhter magnetischer Druck auf das Laminat ausgeübt wird, wenn die Dicke des Lay-ups während des Aushärtungsprozesses abnimmt.

Die moderate Abnahme der Schichtdicke der beiden zufälligen Mattenlaminate während der Verfestigung führte zu einem deutlichen Anstieg des Magnetdrucks. Die Schichtdicke des Leinwandlaminats nahm nur geringfügig ab, was zu einem geringen Anstieg des Magnetdrucks während der Verfestigung führte. Durch das Ausüben eines magnetischen Verdichtungsdrucks im Bereich von 0,2 bis 0,4 Mega Pascal konnte die durchschnittliche Laminatdicke sowohl für Leinwand- als auch für Random-Mattglasfaser-Laminate deutlich reduziert werden.

Dies spiegelte sich in einer deutlichen Reduzierung der harzreichen Flächen und des Hohlraumvolumens wider. Diese Veränderung wurde bei mehreren Harzsystemen beobachtet. Der erhöhte Faservolumenanteil und der verringerte Hohlraumanteil der mit MACM hergestellten Laminate führten zu signifikanten Verbesserungen der Biegefestigkeit und des Biegemoduls im Vergleich zu den konventionell hergestellten Laminaten.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Permanentmagnete verwenden, um während des Aushärtens eines Laminats im Nasslaminier-Vakuumbeutel-Verfahren einen hohen Konsolidierungsdruck auszuüben. Durch den hohen Verfestigungsdruck wurden die Eigenschaften dieser Verbundlaminate deutlich verbessert. Wir sind sehr begeistert von der Verwendung des magnetischen Drucks bei der Herstellung von strukturellen Hochleistungs-Verbundlaminaten.

Wir glauben, dass diese Methode auch in anderen Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen eingesetzt werden kann. Vergessen Sie nicht, bei der Anordnung und Platzierung von Permanentmagneten besonders vorsichtig zu sein, da diese einen sehr hohen Druck erzeugen. Bei der Durchführung dieses Verfahrens sollten immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen von stoßfesten Handschuhen getroffen werden.