Name: Produkcja kompozytów wspomagana magnesami: nowa, elastyczna technika osiągania wysokiego ciśnienia konsolidacji w procesach próżniowego workowania/układania (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-17T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 41 s
Description: Poznaj technikę MACM do produkcji kompozytów z włókna szklanego i żywicy epoksydowej przy użyciu magnesów neodymowych. Ta metoda zapewnia wysokie ciśnienie konsolidacji, poprawiając właściwości mechaniczne laminatów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Autorzy dziękują warsztatowi AME na Uniwersytecie w Oklahomie za pomoc w stworzeniu formy i konfiguracji produkcyjnej oraz członkom Laboratorium Badawczego Produkcji Kompozytów, doktorom Yousefowi K. Hamidiemu, M. Akifowi Yalcinkayi i Jacobowi Andersonowi za pomocne dyskusje.

Uwaga: Przed użyciem należy zapoznać się z wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki materiałów (MSDS). Należy stosować środki ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawiczki, fartuch laboratoryjny, długie spodnie i pełne obuwie).
1. Materiały
<ol>
	<li>Wytnij obrotowym nożem do tkanin 6 warstw splotu płóciennego z tkaniny szklanej o wymiarach 20.3 cm х 15.2 cm. 
	UWAGA: Tkaninę o splocie płóciennym można zastąpić innymi rodzajami tkanin, w tym matami nie tkanymi lub przypadkowymi. W tej metodzie można również zastosować włókna węglowe.</li>
	<li>Przygotuj system żywiczny, najpierw odważając żywicę epoksydową, INF (40 g), na taryzowanej wadze, a następnie dodając utwardzacz, INF (10.96 g), stosując stosunek wagowy 10 do 27,4. Mieszaj mieszaninę żywicy i utwardzacza (przy 37 rad s-1) aż do uzyskania pełnej dyspersji (przez 5 min). 
	UWAGA: (1) Rodzaj żywicy można zastąpić dowolnym typem żywicy odpowiednim do procesów laminowania ręcznego w worku próżniowym. (2) Dobór stosunku żywicy epoksydowej do utwardzacza zależy od kombinacji zastosowanej żywicy i utwardzacza. (3) Dobór masy mieszaniny żywicy i utwardzacza zależy od pożądanej ułamkowej zawartości objętości włókien w gotowym detalu oraz przewidywanej ilości odpadów, takich jak ilość wyciekającej żywicy, żywica pozostała na pędzlu itp. Przyjmując, że masa 6 warstw tkaniny wynosi około 34 g, wybrano stosunek żywicy do włókna 60 do 40 wagowo.</li>
	<li>Odgazuj żywicę (około 15 min) w pułapce żywicznej, aby usunąć całe uwięzione powietrze powstałe podczas mieszania żywicy epoksydowej i utwardzacza.</li>
</ol>
2. Wytwarzanie kompozytów z wykorzystaniem nacisku magnetycznego w procesie laminowania ręcznego w worku próżniowym
UWAGA: Rysunek 1 przedstawia uproszczony schemat przygotowania układu warstw kompozytowych i przyłożenia ciśnienia magnetycznego, co zostało opisane w sekcjach 2.1-2.15.
<ol>
	<li>Przygotować wszystkie materiały niezbędne do przeprowadzenia eksperymentu:
	<ol>
		<li>Umieścić dwadzieścia pięć magnesów trwałych N52 z neodymu, żelaza i boru (NdFeB) (długość 2,54 cm, szerokość 2,54 cm i grubość 1,27 cm), namagnesowanych wzdłuż ich grubości, na stalowej płycie górnej o grubości 4,76 mm. Rozmieścić magnesy w konfiguracji kwadratu 5 × 5 z naprzemienną polaryzacją. Podczas rozmieszczania i ustawiania magnesów trwałych należy zachować ostrożność ze względu na ryzyko obrażeń.</li>
		<li>Umieścić płytkę dociskową (caul plate) z aluminium o grubości 0,3 mm (20,3 х 15,2 cm2), pokrytą wcześniej środkiem rozdzielczym PTFE, dokładnie na środku perforowanej folii rozdzielczej (26,7 х 21,6 cm2).</li>
		<li>Użyć poliestrowej taśmy o szerokości 12,7 mm, aby przykleić obwód płytki dociskowej do folii rozdzielczej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przykleić lepką taśmę o szerokości 12,7 mm wokół obwodu obszaru o wymiarach 43,2 × 27,9 cm2 na powierzchni stalowej płyty narzędziowej dolnej o grubości 6,35 mm i wymiarach 61,0 × 61,0 cm2.</li>
	<li>Przed ułożeniem tkaniny nałożyć na płytę narzędziową warstwę żywicy, którą należy przykryć warstwą nieporowatej, powlekanej PTFE szklanej folii rozdzielczej (o grubości 76 µm). Należy nałożyć taką ilość żywicy, aby nasycić pierwszą warstwę tkaniny.</li>
	<li>Położyć pierwszą warstwę tkaniny, a następnie wałkiem docisnąć ją i wycisnąć nadmiar żywicy.</li>
	<li>W pełni nasycić złoże włókien, wlewając niewielką ilość dodatkowej żywicy na wierzch tkaniny, a następnie rozprowadzając ją równomiernie na całym obszarze za pomocą ściągaczek.</li>
	<li>Powtórzyć kroki 2.4 i 2.5 dla wszystkich warstw (w tym przypadku 6 warstw). Upewnić się, że wszystkie warstwy są w pełni nasycone żywicą i że dla każdej warstwy użyto w przybliżeniu takiej samej ilości żywicy (~8,5 g).</li>
	<li>Umieścić płytkę dociskową, przytwierdzoną do perforowanej folii rozdzielczej, na wierzchu prefabrykatu z włókien, a następnie okleić obwód folii rozdzielczej poliestrową taśmą o szerokości 0,5 cala.</li>
	<li>Położyć dwa kawałki tkaniny odprowadzającej/chłonnej (breather/bleeder cloth) na prefabrykacie z włókien i umieścić dolną część zaworu próżniowego typu twist-lock na tkaninie odprowadzającej. Należy upewnić się, że zawór znajduje się w odpowiedniej odległości od nasyconego prefabrykatu, aby chronić go przed kontaktem z nadmiarem żywicy.</li>
	<li>Zdjąć papierowe podłoże z lepkiej taśmy i położyć worek próżniowy na płycie narzędziowej, mocno dociskając go do taśmy w celu uszczelnienia.</li>
	<li>Podłączyć jeden koniec węża próżniowego do górnej części zaworu próżniowego, a drugi do regulatora ciśnienia połączonego z pompą próżniową.</li>
	<li>Wyciąć małe nacięcie w worku w miejscu, gdzie znajduje się dolna część zaworu, włożyć w otwór górną część zaworu próżniowego, a następnie delikatnie przekręcić go, aby zamknąć, dbając o to, by worek pod spodem nie uległ pofałdowaniu.</li>
	<li>Uruchomić pompę próżniową aż do osiągnięcia stałego ciśnienia próżni 93 kPa (13,5 psi), aby usunąć wszelkie lotne substancje powstałe podczas utwardzania oraz nadmiar żywicy. Upewnić się, że system próżniowy jest szczelny.</li>
	<li>Zaciśnąć cztery krawędzie dolnej płyty narzędziowej do podstawy wsporczej. Dolna płyta narzędziowa musi być unieruchomiona przed umieszczeniem magnesów, ponieważ siła przyciągania magnetycznego może spowodować przesunięcie płyty do góry.</li>
	<li>Pozostawić laminat do utwardzenia przez 45 min w temperaturze pokojowej, następnie położyć zestaw magnesów (przygotowany w sekcji 2.1.1) na worku próżniowym, a następnie zwiększyć temperaturę płyty narzędziowej do 60 °C z prędkością wzrostu ~5 °C/min. 
	UWAGA: (1) Cykl utwardzania zależy od wybranej żywicy. (2) Pod płytą narzędziową umieszcza się silikonowe gumowe maty grzejne do podgrzewania.</li>
	<li>Po utwardzaniu przez 8 h w temperaturze 60 °C usunąć worek próżniowy i wyjąć utwardzony laminat kompozytowy z formy. 
	UWAGA: Aby ocenić poprawę jakości laminatów w wyniku zastosowania nacisku magnetycznego, wykonaliśmy serię laminatów przy użyciu konwencjonalnej metody mokrego układania w worku próżniowym bez stosowania zewnętrznego nacisku. Jakość tych laminatów porównano z laminatami wykonanymi pod naciskiem magnetycznym. Aby wykonać laminaty metodą konwencjonalnego mokrego układania w worku próżniowym, zastosowano kroki od 2.1.2 do 2.15, z pominięciem umieszczania magnesów. Aby ocenić powtarzalność każdego procesu wytwarzania, wykonano drugi laminat w identycznych warunkach.</li>
</ol>
3. Pomiar ciśnienia zagęszczania magnetycznego
<ol>
	<li>Przymocuj górną płytkę do końca przetwornika siły w urządzeniu do badań mechanicznych.</li>
	<li>Umieść jeden magnes trwały neodymowo-żelazowo-borowy N52 na dolnej ruchomej płytce, która na początku badania znajduje się w odpowiedniej odległości (co najmniej 25 mm) od górnej płytki stałej. 
	UWAGA: Do pomiaru siły magnetycznej zarówno górna, jak i dolna płytka powinny być wykonane z materiału magnetycznego, np. ze stali.</li>
	<li>Przesuwaj dolną płytkę w górę w stronę górnej płytki z niską prędkością 1-2 mm/min, rejestrując generowaną siłę magnetyczną i mierząc odpowiadające jej przemieszczenie za pomocą liniowego przetwornika różnicowego LVDT przy częstotliwości próbkowania 6 Hz. 
	UWAGA: (1) Prędkość tego badania jest krytyczna, ponieważ siła generowana przez magnesy zależy wykładniczo od przerwy powietrznej między nimi. (2) Wszystkie pomiary magnetyczne są wykonywane w temperaturze pokojowej.</li>
	<li>Kontynuuj monitorowanie siły zagęszczania magnetycznego, aż górna powierzchnia magnesu dotknie górnej płytki.</li>
	<li>Oblicz ciśnienie zagęszczania magnetycznego, dzieląc siłę magnetyczną przez powierzchnię przekroju poprzecznego magnesu.</li>
</ol>
4. Wypalanie żywicy i analiza termograwimetryczna (TGA)
<ol>
	<li>Wypalanie żywicy
	<ol>
		<li>Wytnij trzy próbki z każdego laminatu do testu wypalania żywicy zgodnie ze specyfikacją ASTM D2584-141.</li>
		<li>Umieść każdą próbkę w oddzielnym tyglu porcelanowym i zanotuj masę próbek oraz tygli.</li>
		<li>Umieść tygle z próbkami w piecu, włącz piec, zwiększ temperaturę do 600 °C i pozostaw do wypalenia żywicy przez około 4 h.</li>
		<li>Wyłącz piec, ostrożnie otwórz drzwiczki i poczekaj, aż piec ostygnie do temperatury pokojowej przed wyjęciem tygli.</li>
		<li>Po ochłodzeniu wyjmij tygle z pieca i zważ odzyskane włókna szklane. 
		UWAGA: Włókna mogą stracić na masie podczas wypalania żywicy. Ilość ubytku masy włókien podczas ekspozycji na wysokie temperatury można określić za pomocą analizy termograwimetrycznej (TGA).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza termograwimetryczna (TGA)
	<ol>
		<li>Zmierz ubytek masy włókien w funkcji rosnącej temperatury w powietrzu przy ciśnieniu atmosferycznym za pomocą TGA. Umieść około 30 mg włókien w platynowym tygielku i wprowadź go do urządzenia TGA.</li>
		<li>Zwiększaj temperaturę od 25 °C do 60 °C z szybkością 15 °C/min, utrzymuj tę temperaturę przez 4 h i oblicz procentowy ubytek masy. Procentowa utrata masy włókien jest uwzględniana podczas obliczeń ułamka objętości włókien oraz ułamka objętości pustek. 
		UWAGA: Zgodnie z wynikami testu TGA przy 60 °C, ubytek masy dla preform o splotcie płóciennym i maty chaotycznej użytych w tej badaniu wyniósł odpowiednio 0,2% i 5,46%.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Obliczanie ułamka objętości pustek i włókien
<ol>
	<li>Wyznacz gęstość próbki kompozytu, osnowy oraz włókna:
	<ol>
		<li>Zastosuj metodę zawiesinową42 w celu wyznaczenia gęstości próbki kompozytu sypkiego. 
		UWAGA: W tej metodzie stosuje się przezroczysty ciężki ciecz o gęstości 2,49 g/cm³3 stosuje się, aby próbka kompozytowa początkowo pływała po zanurzeniu w ciężkiej cieczy.
		<ol>
			<li>Zmniejszyć gęstość ciężkiego cieczy poprzez dodanie 3 ml wody i wymieszanie roztworu za pomocą mieszadła magnetycznego przy prędkości 105 rad s-1-1 przez 5 min. Powtarzaj ten krok, aż próbka kompozytowa zacznie powoli unosić się w mieszaninie ciężkiego cieczy i wody.</li>
			<li>Po dostosowaniu gęstości roztworu w taki sposób, aby próbka pozostała zawieszona w mieszaninie ciężkiego cieczy i wody, należy zmierzyć gęstość roztworu za pomocą kubka do pomiaru ciężaru właściwego.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Przygotuj próbki żywicy pozbawione pęcherzyków powietrza, stosując ten sam cykl utwardzania, który podano w krokach 2.14 i 2.15, a następnie wyznacz gęstość utwardzonych próbek żywicy zgodnie z procedurą opisaną w punktach 5.1.1.1 i 5.1.1.2. 
		UWAGA: Gęstość utwardzonych próbek INF i EPON wynosi 1,152 ± 0,03 g/cm³3 oraz 1,171 ± 0,03 g/cm³3odpowiednio.</li>
		<li>Użycie piknometru azotowego43 o długości 10 cm3 kubek w celu wyznaczenia gęstości włókien. 
		UWAGA: Gęstość tkanin o splotcie płóciennym oraz mat randomly oriented (losowych) wynosi 2,60 ± 0,03 g/cm³3 oraz 2,470 ± 0,04 g/cm3odpowiednio.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Oblicz ułamek masowy włókna i żywicy zgodnie z normą ASTM D2584-141.</li>
	<li>Obliczanie ułamka objętości pustek i włókien zgodnie z procedurami normy ASTM D3171-1544 
	<img alt="Wzór na ułamkową objętość kompozytu: równanie $ v_m = \frac{\rho_c}{\rho_m} \left(\frac{w_c - w_f}{w_c}\right) $." src="/files/ftp_upload/57254/57254eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">       (1) 
	<img alt="Równanie dynamiki płynów $v_f = \frac{\rho_c}{\rho_f} \left(\frac{w_f}{w_c}\right)$; analiza wzoru" src="/files/ftp_upload/57254/57254eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2">                    (2) 
	<img alt="Równanie wzoru na objętość martwą w procesie chromatografii." src="/files/ftp_upload/57254/57254eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3">       (3) 
	gdzie <img alt="$v_m$ w wzorze fizycznym, część równania energii kinetycznej, symbol używany w obliczeniach prędkości." src="/files/ftp_upload/57254/57254eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> jest ułamkiem objętościowym żywicy, <img alt="Symbol prędkości końcowej $v_f$, wzór fizyczny, analiza wektorowa, schemat edukacyjny." src="/files/ftp_upload/57254/57254eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5"> jest ułamkiem objętościowym włókien, <img alt="Równowaga statyczna, wzór vₙ, symbol; notacja matematyczna dla fizyki, studiów inżynierskich." src="/files/ftp_upload/57254/57254eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 6"> jest ułamkiem objętości pustek, <img alt="równowaga statyczna; ΣFx=0; diagram; schemat ciała swobodnego ilustrujący siły; fizyka edukacyjna" src="/files/ftp_upload/57254/57254eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 7"> jaka jest gęstość kompozytu, <img alt="Symbol stanu równowagi statycznej ρ_m; stosowany w równaniach do obliczeń gęstości lub masy; zastosowanie edukacyjne." src="/files/ftp_upload/57254/57254eq8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 8"> jest gęstość żywicy, <img alt="Wzór na równowagę statyczną, ρf, na schemacie fizycznym; niezbędny do analizy sił i obliczeń." src="/files/ftp_upload/57254/57254eq9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 9"> czy gęstość włókien, <img alt="Wzór na równowagę statyczną, symbol W&lt;sub&gt;C&lt;/sub&gt;; schemat do celów edukacyjnych w fizyce." src="/files/ftp_upload/57254/57254eq10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 10"> jest masa próbki, a <img alt="Równowaga statyczna; ΣFx=0, ΣFy=0; równania; edukacyjny koncept fizyczny; schemat równowagi sił." src="/files/ftp_upload/57254/57254eq11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"> jest masa włókna. 
	UWAGA: Niepewność zawartości objętości pustek została obliczona na ±0,21%45Taki poziom dokładności jest wystarczający dla laminatów kompozytowych, nawet gdy laminat charakteryzuje się niską zawartością pustek, wynoszącą mniej niż 1%.</li>
</ol>
6. Obrazowanie za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM)
<ol>
	<li>Wytnij dwie próbki o wymiarach 25,4 mm × 6,4 mm z każdego laminatu i zatop je w szybko utwardzającej się żywicy akrylowej do obrazowania SEM. 
	UWAGA: Próbki są zatapiane w taki sposób, aby powierzchnia boczna (powierzchnia w poprzek grubości) laminatu wzdłuż długości próbki wynoszącej 25,4 mm była odsłonięta do obrazowania.</li>
	<li>Użyj polerki, aby wypolerować powierzchnię zatopionych próbek kompozytowych, stosując materiały ścierne o gradacjach od 30 do 0,04 µm.</li>
	<li>Nałóż metodą napylania warstwę złota/palladu o grubości około 5 nm na przygotowaną próbkę, aby zapewnić warstwę przewodzącą.</li>
	<li>Zamocuj próbkę w uchwycie i umieść ją w komorze SEM.</li>
	<li>Ustaw parametry obrazowania SEM, takie jak napięcie przyspieszające na 20 kV oraz odległość robocza na 25,5 mm.</li>
	<li>Wykonaj kilka zdjęć laminatu przy powiększeniu 35X lub większym w różnych miejscach. 
	UWAGA: Wybrane powiększenie pozwala na ocenę pustek na dużym obszarze przekroju poprzecznego, a także na wizualne porównanie grubości laminatu. Na podstawie tych zdjęć można dokonać dokładnych pomiarów grubości laminatu.</li>
</ol>
7. Charakterystyka właściwości zginania
<ol>
	<li>Za pomocą piły diamentowej wyciąć z każdego laminatu kompozytowego zestaw siedmiu próbek o szerokości 12,7 mm do testów zginania trójpunktowego zgodnie z normą ASTM D790-1546.</li>
	<li>Zmierzyć szerokość i grubość każdej próbki za pomocą suwmiarki.</li>
	<li>Przyjąć stosunek rozpiętości do grubości wynoszący 24:1 i dostosować rozpiętość podpór uchwytu do testu zginania trójpunktowego. Umieścić próbkę w uchwycie do testów zginania trójpunktowego zamontowanym w maszynie do badań mechanicznych.</li>
	<li>Przeprowadzić test zginania przy prędkości przesuwu trawersy 2 mm/min i zarejestrować zależność obciążenia od ugięcia próbki.</li>
	<li>Powtórzyć powyższe kroki dla wszystkich próbek, aby potwierdzić i zapewnić powtarzalność wyników.</li>
	<li>Po zakończeniu eksperymentu obliczyć wytrzymałość na zginanie oraz moduł sprężystości przy zginaniu dla próbek39,40.</li>
</ol>

<ol><li>Amel, H., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212827117307023">Introducing a novel manufacturing process for automotive structural/semi structural composite components.</a> Procedia CIRP. 66, 143-146 (2017).</li>
<li>Beardmore, P., Johnson, C. F. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0266353886900023">The potential for composites in structural automotive applications.</a> Compos Sci Technol. 26 (4), 251-281 (1986).</li>
<li>Irving, P. E., Soutis, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aIrving%2C+PE+%22Polymer+composites+in+the+aerospace+industry%22">Polymer composites in the aerospace industry</a>. , Sawston, U.K. (2015).</li>
<li>Li, Y., Li, N., Gao, J. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-013-5268-3">Tooling design and microwave curing technologies for the manufacturing of fiber-reinforced polymer composites in aerospace applications.</a> Int J Adv Manuf Technol. 70 (1-4), 591-606 (2014).</li>
<li>Mouritz, A. P., Gellert, E., Burchill, P., Challis, K. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822300001756">Review of advanced composite structures for naval ships and submarines.</a> Compos Struct. 53 (1), 21-42 (2001).</li>
<li>Davies, P., Petton, D. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X98001560">An experimental study of scale effects in marine composites.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 30 (3), 267-275 (1999).</li>
<li>Pendhari, S. S., Kant, T., Desai, Y. M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026382230700181X">Application of polymer composites in civil construction: A general review.</a> Compos Struct. 84 (2), 114-124 (2008).</li>
<li>Bakis, C. E., et al. <a target="_blank" href="https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%291090-0268%282002%296%3A2%2873%29">Fiber-reinforced polymer composites for construction-State-of-the-art review.</a> J Compos Construct. 6 (2), 73-87 (2002).</li>
<li>Thomas, M. M., Joseph, B., Kardos, J. L. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pc.10282/abstract">Experimental characterization of autoclave-cured glass-epoxy composite laminates: Cure cycle effects upon thickness, void content, and related phenomena.</a> Polym Compos. 18 (3), 283-299 (1997).</li>
<li>Michaud, V., Mortensen, A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X0100015X">Infiltration processing of fibre reinforced composites: Governing phenomena.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 32 (8), 981-996 (2001).</li>
<li>Wood, J. R., Bader, M. G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0956714394900248">Void control for polymer-matrix composites (2): Experimental evaluation of a diffusion model for the growth and collapse of gas bubbles.</a> Compos Manuf. 5 (2), 149-158 (1994).</li>
<li>Abraham, D., Matthews, S., McIlhagger, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X98000554">A comparison of physical properties of glass fibre epoxy composites produced by wet lay-up with autoclave consolidation and resin transfer moulding.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 29 (7), 795-801 (1998).</li>
<li>Liu, L., Zhang, B. M., Wang, D. F., Wu, Z. J. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822305000437">Effects of cure cycles on void content and mechanical properties of composite laminates.</a> Compos Struct. 73 (3), 303-309 (2006).</li>
<li>Park, S. Y., Choi, W. J., Choi, H. S. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822309002256">The effects of void contents on the long-term hygrothermal behaviors of glass/epoxy and GLARE laminates.</a> Compos Struct. 92 (1), 18-24 (2010).</li>
<li>Hamidi, Y. K., Aktas, L., Altan, M. C. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353805000254">Three-dimensional features of void morphology in resin transfer molded composites.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 65 (7), 1306-1320 (2005).</li>
<li>Pucci, M. F., Liotier, P. -J., Drapier, S. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X1500192X">Capillary wicking in a fibrous reinforcement-orthotropic issues to determine the capillary pressure components.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 77, 133-141 (2015).</li>
<li>Pucci, M. F., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X17300945">Wetting and swelling property modifications of elementary flax fibres and their effects on the Liquid Composite Molding process.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 97, 31-40 (2017).</li>
<li>Jeong, H. <a target="_blank" href="http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/002199839703100303">Effects of voids on the mechanical strength and ultrasonic attenuation of laminated composites.</a> J Compos Mater. 31 (3), 276-292 (1997).</li>
<li>Almeida, S. F. M., Neto, Z. dS. N. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0263822394900442">Effect of void content on the strength of composite laminates.</a> Compos Struct. 28 (2), 139-148 (1994).</li>
<li>Varna, J., Joffe, R., Berglund, L. A., Lundström, T. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0266353895000240">Effect of voids on failure mechanisms in RTM laminates.</a> Compos Sci Technol. 53 (2), 241-249 (1995).</li>
<li>Hagstrand, P. O., Bonjour, F., Månson, J. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X04000740">The influence of void content on the structural flexural performance of unidirectional glass fibre reinforced polypropylene composites.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 36 (5), 705-714 (2005).</li>
<li>Mouritz, A. <a target="_blank" href="http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/002199830003400303">Ultrasonic and interlaminar properties of highly porous composites.</a> J Compos Mater. 34 (3), 218-239 (2000).</li>
<li>Maragoni, L., Carraro, P., Peron, M., Quaresimin, M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112316303164">Fatigue behaviour of glass/epoxy laminates in the presence of voids.</a> Int J Fatigue. 95, 18-28 (2017).</li>
<li>Chambers, A., Earl, J., Squires, C., Suhot, M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014211230600065X">The effect of voids on the flexural fatigue performance of unidirectional carbon fibre composites developed for wind turbine applications.</a> Int J Fatigue. 28 (10), 1389-1398 (2006).</li>
<li>Judd, N. C., Wright, W. <a target="_blank" href="https://scholar.google.com/scholar?cluster=18026662403035458320&hl=en&oi=scholarr">Voids and their effects on the mechanical properties of composites- an appraisal.</a> SAMPE J. 14, 10-14 (1978).</li>
<li>Ghiorse, S. <a target="_blank" href="http://adsabs.harvard.edu/abs/1993SAMPQ..24...54G">Effect of void content on the mechanical properties of carbon/epoxy laminates.</a> SAMPE Quart. 24 (2), 54-59 (1993).</li>
<li>Lambert, J., Chambers, A., Sinclair, I., Spearing, S. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353811004155">3D damage characterisation and the role of voids in the fatigue of wind turbine blade materials.</a> Compos Sci Technol. 72 (2), 337-343 (2012).</li>
<li>Mesogitis, T., Skordos, A., Long, A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X13003035">Uncertainty in the manufacturing of fibrous thermosetting composites: a review.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 57, 67-75 (2014).</li>
<li>Aktas, L., Hamidi, Y., Altan, M. C. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=1582363">Effect of moisture on the mechanical properties of resin transfer molded composites-part I: absorption.</a> J Mater Process Manuf Sci. 10 (4), 239-254 (2002).</li>
<li>Selzer, R., Friedrich, K. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X96001546">Mechanical properties and failure behaviour of carbon fibre-reinforced polymer composites under the influence of moisture.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 28 (6), 595-604 (1997).</li>
<li>Costa, M. L., Rezende, M. C., Almeida, S. F. M. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/03602550600609549">Effect of void content on the moisture absorption in polymeric composites.</a> Polym Plast Technol Eng. 45 (6), 691-698 (2006).</li>
<li>Muric-Nesic, J., Compston, P., Stachurski, Z. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X10003271">On the void reduction mechanisms in vibration assisted consolidation of fibre reinforced polymer composites.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 42 (3), 320-327 (2011).</li>
<li>Walczyk, D., Kuppers, J. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X11004131">Thermal press curing of advanced thermoset composite laminate parts.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 43 (4), 635-646 (2012).</li>
<li>Khan, L. A., Mahmood, A. H., Ahmed, S., Day, R. J. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pc.22500/full">Effect of double vacuum bagging (DVB) in quickstep processing on the properties of 977-2A carbon/epoxy composites.</a> Polym Compos. 34 (6), 942-952 (2013).</li>
<li>Kwak, M., Robinson, P., Bismarck, A., Wise, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X15001311">Microwave curing of carbon-epoxy composites: penetration depth and material characterisation.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 75, 18-27 (2015).</li>
<li>Agius, S., Magniez, K., Fox, B. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836812007627">Cure behaviour and void development within rapidly cured out-of-autoclave composites.</a> Compos Part B: Eng. 47, 230-237 (2013).</li>
<li>Davies, L., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353806004015">Effect of cure cycle heat transfer rates on the physical and mechanical properties of an epoxy matrix composite.</a> Compos Sci Technol. 67 (9), 1892-1899 (2007).</li>
<li>Pishvar, M., Amirkhosravi, M., Altan, M. C. <a target="_blank" href="http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid=2669649">Applying magnetic consolidation pressure during cure to improve laminate quality: a comparative analysis of wet lay-up and vacuum assisted resin transfer molding processes.</a> ASME Int Mech Eng Cong Expos Proc. , IMECE2017-72019 (2017).</li>
<li>Amirkhosravi, M., Pishvar, M., Altan, M. C. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X17301355">Improving laminate quality in wet lay-up/vacuum bag processes by magnet assisted composite manufacturing (MACM).</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 98, 227-237 (2017).</li>
<li>Pishvar, M., Amirkhosravi, M., Altan, M. C. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pc.24621/abstract">Magnet assisted composite manufacturing: A novel fabrication technique for high-quality composite laminates.</a> Polym Compos. , (2017).</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standards/D2584.htm">ASTM D2584-11 Standard test method for ignition loss of cured reinforced resins</a>. , ASTM International. West Conshohocken, PA. (2011).</li>
<li>Anderson, J. P., Altan, M. C. <a target="_blank" href="http://materialstechnology.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1476990">Properties of composite cylinders fabricated by bladder assisted composite manufacturing.</a> J Eng Mater Technol. 134 (4), 044501(2012).</li>
<li>Webb, P. A. <a target="_blank" href="http://www.anime.micrx.com/Repository/Files/Volume_and_Density_determinations_for_Particle_Technologists.pdf">Volume and density determinations for particle technologists.</a> Micromeritics Instru. Corp. 01, (2001).</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standards/D3171.htm">ASTM D3171-15 Standard test methods for constituent content of composite materials</a>. , ASTM International. West Conshohocken, PA. (2015).</li>
<li>Anderson, J. <a target="_blank" href="https://shareok.org/handle/11244/6072">Manufacturing and microstructural modeling of geometrically complex composite components produced by bladder assisted composite manufacturing (BACM)</a>. , Norman, OK. PhD dissertation (2013).</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.astm.org/DATABASE.CART/HISTORICAL/D790-15.htm">ASTM D790-15, Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials</a>. , ASTM International. West Conshohocken, PA. (2015).</li>
<li>Yalcinkaya, M. A., Sozer, E. M., Altan, M. C. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X17303184">Fabrication of high quality composite laminates by pressurized and heated-VARTM.</a> Compos Part A: App Sci Manuf. 102, 336-346 (2017).</li>
<li>Chang, T., Zhan, L., Tan, W., Li, S. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s12221-017-7384-4">Effect of autoclave pressure on interfacial properties at micro-and macro-level in polymer-matrix composite laminates.</a> Fiber Polym. 18 (8), 1614-1622 (2017).</li>
<li>Stringer, L. G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0010436189902139">Optimization of the wet lay-up/vacuum bag process for the fabrication of carbon fibre epoxy composites with high fibre fraction and low void content.</a> Composites. 20 (5), 441-452 (1989).</li>
</ol>

Autorzy nie posiadają żadnych ujawnień.

Zastosowanie wysokiego ciśnienia konsolidacji podczas utwardzania laminatu kompozytowego jest szczególnie ważne dla produkcji wysokiej jakości części kompozytowej47. Jeśli ciśnienie zewnętrzne nie zostanie zastosowane, a laminat zostanie utwardzony tylko w próżni, końcowa część będzie na ogół zawierać wysoką zawartość pustych przestrzeni, prawdopodobnie przekraczającą 5% objętości, oraz niepożądane obszary bogate w żywicę48. Wysoka zawartość pustych przestrzeni, niska frakcja objętościowa włókien i obszary bogate w żywicę to czynniki niekorzystnie wpływające na właściwości mechaniczne laminatów kompozytowych. W niniejszej pracy opisano eksperymentalny protokół stosowania wysokiego ciśnienia konsolidacji podczas utwardzania laminatu w procesie mokrego worka próżniowego29. W tej technice najpierw układanie kompozytu jest przygotowywane na magnetycznej dolnej płycie narzędziowej zgodnie z konwencjonalnym procesem worka próżniowego do układania na mokro. Następnie na worku próżniowym umieszcza się zestaw magnesów trwałych, przymocowanych do magnetycznej górnej stalowej płyty. W tym badaniu magnesy są stosowane przy jednoczesnym zwiększaniu temperatury układania do 60 °C, gdzie lepkość żywicy znacznie spada. Zastosowanie nacisku w innym czasie, np. w punkcie żelowania, może spowodować powstanie laminatów o różnych właściwościach 13,40,49. Poziom przyłożonego nacisku magnetycznego zależy od szczeliny między magnesami a dolną płytą magnetyczną. W związku z tym przedstawiamy procedurę pomiaru ciśnienia magnetycznego generowanego przez magnes w funkcji szczeliny (tj. grubości układu).
Aby określić skuteczność MACM, laminaty worków próżniowych do układania na mokro z różnymi składnikami materiałowymi są wytwarzane przy użyciu sześciu scenariuszy z magnetycznym ciśnieniem zagęszczania i bez niego. Następnie demonstrujemy szczegółowe kroki charakterystyki pustych przestrzeni i frakcji objętościowych włókien, mikrostruktury i właściwości zginania laminatów kompozytowych. Do oceny frakcji objętościowych składników kompozytowych stosuje się metody wypalania żywicy i zawiesiny42. Przedstawione wyniki pokazują, że zastosowanie magnetycznego ciśnienia zagęszczania znacznie zwiększa frakcję objętościową włókien i zmniejsza zawartość pustych przestrzeni w częściach. Ponadto do analizy mikrostrukturalnej kompozytu wykorzystuje się obrazowanie za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), które daje wgląd w lokalizację i cechy geometryczne pustek15. Na przykład rysunek 3 pokazuje, że zastosowanie ciśnienia magnetycznego podczas utwardzania jest również korzystne w zmniejszaniu zarówno rozmiaru, jak i liczby pustych przestrzeni, a tym samym zmniejsza prawdopodobieństwo przedwczesnej awarii20,24. W związku z tym czynniki te znacznie poprawiają właściwości zginania laminatów. Jednak skuteczność MACM różni się w zależności od rodzaju składników kompozytowych (włókno i żywica).
Chociaż wytwarzanie laminatów tą metodą jest proste, należy zachować ostrożność podczas układania i umieszczania magnesów trwałych, ponieważ generują one bardzo wysokie ciśnienie (tj. maksymalne ciśnienie 0,64 MPa). Ograniczeniem tej metody jest to, że dolna płyta narzędziowa musi być magnetyczna, taka jak stal nierdzewna serii 400, i musi być zamocowana przed ruchem przed umieszczeniem magnesów, ponieważ siła przyciągania magnetycznego może się przesunąć i przesunąć płytę w górę. Dodatkowo nacisk wywierany przez magnesy zależy od grubości laminatu. Na przykład magnesy trwałe NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 nie są w stanie wytworzyć wysokiego ciśnienia konsolidacji (> 0,1 MPa), gdy grubość ułożenia kompozytu przekracza 6,5 mm. W takim przypadku należy zastosować silniejsze magnesy, aby osiągnąć wysoki poziom konsolidacji.
Prezentowana metoda jest wygodna w użyciu i ma tę przewagę nad autoklawami, że nie wymaga drogiego sprzętu i oprzyrządowania. Chociaż nie zostało to tutaj wyjaśnione, metoda ta ma szerokie zastosowanie nie tylko w workach próżniowych do układania na mokro, ale także w innych procesach wytwarzania kompozytów, takich jak utwardzanie prepregów poza autoklawem i formowanie transferowe żywicy wspomagane próżniowo (VARTM). Co więcej, duże elementy kompozytowe można wytwarzać ze względną łatwością, przesuwając magnesy wzdłuż worka próżniowego, jeśli między magnesami a workiem próżniowym znajduje się odpowiedni smar. Ponadto, zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, jest to jedyna metoda, która pozwala na zastosowanie lokalnego i nierównomiernego nacisku na ułożenie kompozytu. Przyszłym kierunkiem tej metody jest wytwarzanie skomplikowanych geometrycznie części kompozytowych, ale zamiast umieszczać magnesy na płaskiej płycie, można je umieścić na dopasowanej, górnej formie.

Kompozyty polimerowe wzmocnione włóknami są szeroko stosowane w branży motoryzacyjnej<klasa sup="xref">1,2, aerospace3,4, marine5,6 i construction7,8 przemysł ze względu na ich unikalne właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość właściwa i moduł sprężystości, korzystne zachowanie zmęczeniowe i odporność na korozję. Obecnie wysokiej jakości laminaty kompozytowe są głównie wytwarzane przy użyciu warstw wstępnie impregnowanej tkaniny (prepregu) utwardzanej w autoklawie w podwyższonej temperaturze i wysokim ciśnieniu konsolidacji 0,27-0,69 MPa (40-100 psi)9. Nieco gorszej jakości laminaty kompozytowe są wytwarzane w procesie układania na mokro, w którym nie stosuje się wyższego ciśnienia konsolidacji. Proces ten jest pracochłonny, nie wymaga drogiego sprzętu i polega na umieszczeniu jednej warstwy suchej tkaniny na formie, a następnie nałożeniu żywicy. W większości zastosowań ręczny wałek służy do wtłaczania żywicy we włókno zbrojenie i wyciskania nadmiaru żywicy. Sekwencję tę powtarza się, aż do uzyskania pożądanej grubości. Jakość laminatów wytwarzanych przez układanie na mokro można znacznie poprawić, stosując kombinację próżni (zwaną procesem worka próżniowego do układania na mokro) i dodatkowego ciśnienia konsolidacji w autoklawie podczas utwardzania. Zastosowanie wysokiego ciśnienia konsolidacji podczas utwardzania ułatwia przepływ żywicy, prowadząc do zwiększenia frakcji objętościowej włókien i usunięcia pustych przestrzeni10,11, co skutkuje poprawą właściwości mechanicznych. Abraham i wsp.12 pokazał, że wysokiej jakości laminaty kompozytowe z e-szkła o splocie płóciennym o wysokiej zawartości objętości włókien wynoszącej około 64% i niskiej frakcji objętości pustek wynoszącej 1,6% mogą być wytwarzane przy użyciu worka próżniowego do układania na mokro, gdy w autoklawie stosuje się ciśnienie konsolidacji 1,2 MPa.
Puste przestrzenie są jednym z najczęstszych defektów, które powstają podczas produkcji laminatów kompozytowych. Puste przestrzenie o wielkości od kilku mikronów do kilkuset mikronów powstają głównie z powodu powietrza uwięzionego podczas układania, wilgoci rozpuszczonej w żywicy i wydalanych substancji lotnych podczas utwardzania13,14,15. Stwierdzono również, że dynamika impregnacji zbrojenia włóknistego ma znaczący wpływ na uwięzienie pustych przestrzeni16,17. Powszechnie przyjmuje się, że obecność pustych przestrzeni w laminacie kompozytowym może prowadzić do znacznego zmniejszenia wytrzymałości13,18,19, modulus20,21, odporność na pękanie22, oraz trwałość zmęczeniowa23,24 laminatów. Na przykład Judd i Wright25 stwierdzili, że każdy 1% wzrost zawartości pustek (do 4%) powoduje około 7% spadek właściwości ścinania krótkich belek. Co więcej, Ghiorse26 odkrył, że w kompozytach węglowo-epoksydowych na każdy 1% wzrost zawartości pustek można zaobserwować 10% zmniejszenie międzywarstwowego ścinania i wytrzymałości na zginanie oraz 5% zmniejszenie modułu sprężystości przy zginaniu. Ponadto puste przestrzenie mają niekorzystny wpływ na inicjację i propagację pęknięć, a także na absorpcję wilgoci27,28. Powszechnie wiadomo, że szybkość absorpcji wilgoci w przypadku laminatów o większej zawartości pustych przestrzeni jest większa, a wchłonięta wilgoć może powodować pogorszenie granicy faz światłowoda-matryca i gorsze długoterminowe właściwości mechaniczne29,30,31,32. Dlatego, aby zapewnić spójność właściwości mechanicznych i osiągnąć najwyższą jakość wyrobów kompozytowych, zawartość pustych przestrzeni powinna być zminimalizowana.
Chociaż utwardzanie laminatu kompozytowego w autoklawie daje niezawodne, wysokiej jakości części, koszt produktu byłby wysoki ze względu na początkową inwestycję kapitałową i nadmierne zużycie energii. Oprócz utwardzania w autoklawie, do wytwarzania laminatów kompozytowych z autoklawu opracowano i wykorzystano szeroką gamę technik, takich jak formowanie transferowe żywicy wspomagane próżniowo (VARTM) i proces Quickstep, do wytwarzania laminatów kompozytowych z autoklawu opracowano i wykorzystano szeroką gamę technik, takich jak formowanie kompozytowe z autoklawu32,">33,34,35,36. Jednak ze względu na brak jednolitego, wysokiego ciśnienia, laminaty wytwarzane tymi metodami mają często niższe właściwości mechaniczne w porównaniu do tych wytwarzanych w autoklawach37. Ostatnio nowatorska technika określana jako produkcja kompozytów wspomagana magnesem (MACM) została wykorzystana do poprawy jakości laminatów kompozytowych z worków próżniowych do układania na mokro poprzez zastosowanie ciśnienia konsolidacji generowanego przez zestaw magnesów trwałych o dużej mocy38,39. Zastosowanie tej techniki zostało następnie rozszerzone o produkcję wysokiej jakości, strukturalnych laminatów kompozytowych z autoklawu przy użyciu wysokotemperaturowych magnesów trwałych40.
W tym artykule przedstawiono protokół produkcji laminatów kompozytowych z worków próżniowych do układania na mokro przy użyciu techniki MACM. W MACM magnesy trwałe neodymowo-żelazowo-borowe są wykorzystywane do wywierania wystarczająco wysokiego ciśnienia konsolidacji podczas utwardzania, a tym samym do poprawy jakości laminatów. W pierwszej kolejności opisano sposób przygotowania 6-warstwowego układu szkło E-szkło/kompozyt epoksydowy o splocie płóciennym na dolnej płycie stalowej. Następnie demonstruje się układ magnesów trwałych o zmiennej polaryzacji na górnej płycie stalowej, wraz z ich umieszczeniem na worku próżniowym w celu wywarcia nacisku konsolidacyjnego na układ kompozytowy. Na koniec przedstawiono etapy pomiaru magnetycznego ciśnienia zagęszczenia, a także metody stosowane do charakterystyki frakcji pustych przestrzeni i objętości włókien, mikrostruktury i właściwości mechanicznych laminatów kompozytowych. Skuteczność procesu MACM jest badana poprzez wytwarzanie laminatów worków próżniowych do układania na mokro wykonanych pod ciśnieniem magnetycznym i porównywanie ich właściwości z tymi wytwarzanymi przez konwencjonalny worek próżniowy do układania na mokro bez magnesów. Uzyskane wyniki dowodzą zdolności metody MACM do poprawy ogólnej jakości laminatu. Metoda ta jest tanim i prostym sposobem wytwarzania wysokiej jakości laminatów i może być stosowana do stosunkowo łatwego wytwarzania dużych i złożonych geometrycznie elementów kompozytowych.

<table><tbody><tr><td>Włókno szklane o splocie płóciennym</td><td>Hexcel</td><td>HexForce 3733</td><td>Rodzaj włókien można zastąpić dowolnym rodzajem tkanin</td></tr><tr><td>Losowo zorientowane cięte włókno szklane</td><td>Fiberglast</td><td>248</td><td></td></tr><tr><td>TenCate EX-1522/IM7</td><td>Tencate</td><td></td><td>to prepreg węglowo-epoksydowy o splocie płóciennym</td></tr><tr><td>PRO-SET INF-114 Kompozyt epoksydowy infuzyjny Enfusion</td><td>Envisions</td><td>1758</td><td>Rodzaj żywicy można zastąpić dowolnym rodzajem żywicy odpowiednim do procesu układania na mokro w worku próżniowym</td></tr><tr><td>PRO-SET INF-211 Medium Infusion</td><td>Hardener Composite Envisions</td><td>1760</td><td></td></tr><tr><td>EPON 862</td><td>Hexion Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EPIKURE Utwardzacz 3300</td><td>Hexion Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>NdFeB, N52-2,54 &krotnie; 2,54 &razy; 1,27 cm3</td><td>K& J Magnetics, Inc.</td><td>BX0X08-N52</td><td>Magnesy można zastąpić dowolnym typem w zależności od wymaganego ciśnienia i zastosowania</td></tr><tr><td>Nóż rotacyjny OLFA</td><td>Fibre Glast</td><td>1706-A Taśma</td><td></td></tr><tr><td>lepka</td><td>De-Comp Composites</td><td>D413Y Taśma</td><td></td></tr><tr><td>poliestrowa</td><td>De-Comp Composites</td><td>D574A</td><td></td></tr><tr><td>Ściągaczki</td><td>Fibre Glast</td><td>62-A</td><td>Można stosować</td></tr> <tr><td>dowolny rodzaj ściągaczkiRoller</td><td>De-Comp Composites</td><td>D205</td><td>Można stosować każdy rodzaj rolek</td></tr><tr><td>Powlekane PTFE&nbsp; arkusze tkaniny z włókna szklanego</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>8577K81</td><td></td></tr><tr><td>Środek antyadhezyjny PTFE suchy smar</td><td>Miller-Stephenson</td><td>MS122AD</td><td></td></tr><tr><td>Perforowana folia antyadhezyjna</td><td>Fibre Glast</td><td>1787-C</td><td></td></tr><tr><td>Tkanina odpowietrzająca</td><td>De-Comp Composites</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum&nbsp; torba&nbsp; folia</td><td>Rock West Composite</td><td>WRIGHTLON 7400</td><td></td></tr><tr><td>Aluminiowy zawór próżniowy z blokadą skrętną</td><td>De-Comp Composites</td><td>D401</td><td></td></tr><tr><td>Pompa próżniowa</td><td>Best Value Vacs</td><td>BVVRS1</td><td></td></tr><tr><td>Elastyczne arkusze grzewcze z kauczuku silikonowego, podkład samoprzylepny</td><td>McMaster-Carr Supply Company</td><td>35765K429</td><td></td></tr><tr><td>Blacha stalowa serii 400 o grubości</td><td></td><td></td> 6,35 mm <td>Układ jest Przygotowany na tej płycie</td></tr><tr><td>stalowej o grubości</td><td></td><td></td> 4,76 mm <td>Magnesy są przymocowane do tej płyty</td></tr><tr><td>Blacha aluminiowa o grubości</td><td></td><td></td><td></td>0,3 mm</tr><tr><td>Mieszadło laboratoryjne</td><td>Caframo</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Waga</td><td></td><td></td><td></td>laboratoryjna</tr><tr><td>AccuPyc II 1340 automatyczny piknometr gazowy</td><td>Micromeritics Instrument Corporation</td><td>134/00000/00</td><td></td></tr><tr><td>Miseczka o ciężarze właściwym, 83,2 ml</td><td>Gardco</td><td>EW-38000-12</td><td></td></tr><tr><td>Akrylowa żywica do montażu na zimno</td><td>Struers</td><td>LevoCit</td><td></td></tr><tr><td>Szlifierka/polerka</td><td>Struers</td><td>LaboSystem</td><td></td></tr><tr><td>Tygle porcelanowe, 30 ml</td><td>United Scientific Supplies</td><td>JCT030</td><td></td></tr><tr><td>Plastikowe kubki, 12 uncji, przezroczyste</td><td></td><td></td><td>Jest używany jako kubki do mieszania epoksydów</td></tr></tbody></table>

produkcja kompozytów wspomagana magnesami: nowa, elastyczna technika osiągania wysokiego ciśnienia konsolidacji w procesach próżniowego workowania/układania

Magnet Assisted Composite Manufacturing: A Flexible New Technique for Achieving High Consolidation Pressure in Vacuum Bag/Lay-Up Processes

Ta praca demonstruje protokół poprawy jakości laminatów kompozytowych wytwarzanych metodą mokrego worka próżniowego przy użyciu niedawno opracowanej techniki produkcji kompozytów wspomaganych magnesem (MACM). W tej technice magnesy trwałe są wykorzystywane do wywierania wystarczająco wysokiego ciśnienia konsolidacji na etapie utwardzania. Aby zwiększyć intensywność pola magnetycznego, a tym samym zwiększyć magnetyczne ciśnienie zagęszczania, magnesy są umieszczane na magnetycznej płycie górnej. Po pierwsze, opisano całą procedurę przygotowania kompozytu na magnetycznej płycie stalowej przy użyciu konwencjonalnego procesu mokrego worka próżniowego. Po drugie, zilustrowano umieszczenie zestawu magnesów trwałych neodymowo-żelazowo-borowych, ułożonych naprzemiennie, na worku próżniowym. Następnie przedstawiono procedury doświadczalne pomiaru ciśnienia magnetycznego zagęszczenia i frakcji objętościowych składników kompozytu. Na koniec szczegółowo omówiono metody stosowane do charakterystyki mikrostruktury i właściwości mechanicznych laminatów kompozytowych. Uzyskane wyniki dowodzą skuteczności metody MACM w poprawie jakości laminatów worków próżniowych do układania na mokro. Metoda ta nie wymaga dużych inwestycji kapitałowych w oprzyrządowanie lub sprzęt i może być również stosowana do konsolidacji geometrycznie złożonych części kompozytowych poprzez umieszczenie magnesów na dopasowanej górnej formie umieszczonej na worku próżniowym.

Aby zbadać wpływ MACM na jakość laminatów, rozważono kilka scenariuszy z wykorzystaniem różnych typów tkanin i systemów żywicznych. Tabela 1 przedstawia proces wytwarzania oraz składniki kompozytowe 6-warstwowych laminatów kompozytowych z włókna szklanego E i epoksydy, wykonanych w ramach sześciu różnych scenariuszy produkcji. W scenariuszach bazowych (W-PW-INF, W-RM-INF oraz W-RM-EPON) laminaty są wytwarzane metodą ręcznego układania na mokro w worku próżniowym bez zewnętrznego ciśnienia. Pozostałe trzy scenariusze (WM-PW-INF, WM-RM-INF oraz WM-RM-EPON) służą do wytwarzania laminatów metodą układania na mokro w worku próżniowym pod wpływem magnetycznego ciśnienia zagęszczania. Następnie jakość tych laminatów jest porównywana z jakością laminatów wykonanych w scenariuszach bazowych. W pierwszym i drugim scenariuszu, W-PW-INF i WM-PW-INF, wytwarzane są laminaty z włókna szklanego E o splotcie płóciennym i żywicy INF. W trzecim i czwartym scenariuszu, W-RM-INF i WM-RM-INF, tkanina o splocie płóciennym zostaje zastąpiona matą chaotyczną, przy zastosowaniu tego samego systemu żywicznego (t.j. INF). W piątym i szóstym scenariuszu, W-RM-EPON i WM-RM-EPON, zastosowano matę chaotyczną z włókna szklanego E, natomiast system żywiczny zastąpiono żywicą EPON, która wykazuje umiarkowanie wyższą lepkość wynoszącą 76,9 mPa s w porównaniu do 296 mPa s dla żywicy INF. Bardziej szczegółową analizę czterech ostatnich scenariuszy można znaleźć w pracy Pishvar et al. 2017 oraz Amirkhosravi et al. 201738,39.
Rysunek 2a przedstawia ciśnienie magnetyczne generowane przez magnes NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 jako funkcję odległości między magnesem a płytą stalową. Odległość ta odpowiadałaby grubości układu warstw podczas wytwarzania laminatu kompozytowego, a zatem może być wykorzystana do określenia zmienności ciśnienia zagęszczania wywieranego przez magnesy. Wstawka na Rysunku 2a przedstawia zdjęcie układu eksperymentalnego użytego do pomiaru zmienności ciśnienia magnetycznego w funkcji odległości. Jak wyjaśniono w sekcji 3 protokołu, układ składa się z dwóch równoległych płyt stalowych (12,5 cm × 12,5 cm × 1,8 cm). Górna płyta jest połączona z ogniwem obciążeniowym 4,45 kN (10 lb). Dolna płyta jest zamontowana na trawersie urządzenia do badań mechanicznych. Dzięki zastosowaniu tego układu mierzona jest siła przyciągania magnesu trwałego umieszczonego na dolnej płycie w funkcji szczeliny (t.j. odległości między magnesem a górną płytą stalową). Linia przerywana na Rysunku 2a reprezentuje ciśnienie magnetyczne (siła podzielona przez powierzchnię magnesu) zmierzone przez urządzenie do badań mechanicznych, a linia ciągła reprezentuje ciśnienie wyznaczone na podstawie danych dostarczonych przez dostawcę magnesów. Zazwyczaj występuje dobra zgodność między zmierzonym ciśnieniem a wartościami uzyskanymi z karty technicznej dostarczonej przez dostawcę. Widać, że wzrost ciśnienia magnetycznego zależy wykładniczo od zmniejszenia szczeliny. W związku z tym, w miarę jak laminat konsoliduje się podczas procesu utwardzania, grubość układu warstw stopniowo maleje, a w konsekwencji ciśnienie wywierane przez magnes rośnie. Rysunek 2b przedstawia te same dane eksperymentalne co na Rysunku 2a, ale dla zakresu szczeliny (t.j. grubości układu warstw) od 1 do 4,5 mm. Dodatkowo na Rysunku 2b przedstawiono początkowe i końcowe ciśnienie magnetyczne przyłożone podczas utwardzania laminatów wykonanych z różnych typów tkanin (t.j. splotu płóciennego i maty przypadkowej) oraz systemów żywic (t.j. INF i EPON). Grubość układu warstw laminatów splot płócienny/INF (WM-PW-INF) podczas konsolidacji zmniejsza się z 1,5 mm do 1,4 mm z powodu odpływu żywicy i utwardzania. W rezultacie ciśnienie magnetyczne nieznacznie wzrasta z 0,38 do 0,39 MPa. Grubość układu warstw laminatów mata przypadkowa/INF (WM-RM-INF) zmienia się z 2,8 mm do 1,7 mm, w związku z czym ciśnienie magnetyczne znacząco wzrasta z 0,27 do 0,36 MPa. Grubość układu warstw laminatów wykonanych z maty przypadkowej/EPON (WM-RM-EPON) zmniejsza się z 3,7 mm do 2,5 mm, zatem generowane ciśnienie umiarkowanie wzrasta z 0,22 do 0,29 MPa.
Tabela 2 przedstawia średnią grubość, ułamkową zawartość objętościową włókien oraz ułamkową zawartość objętościową pustek w laminatach wykonanych z zastosowaniem i bez zastosowania magnetycznego ciśnienia konsolidacyjnego. Jak pokazano w Tabeli 2, wykorzystanie magnetycznego ciśnienia zagęszczania znacząco redukuje średnią grubość laminatów o 12-47%. Zgodnie z oczekiwaniami, zmniejszenie grubości laminatu jest silnie skorelowane ze wzrostem ułamkowej zawartości objętościowej włókien w laminatach, która dzięki ciśnieniu magnetycznemu uległa istotnej poprawie o 13-98%. Spośród wszystkich scenariuszy, wpływ zastosowania ciśnienia magnetycznego na laminaty z maty przypadkowej/INF jest bardziej wyraźny (t.j. wzrost ułamkowej zawartości objętościowej włókien o 98%) ze względu na dwa czynniki: (1) znacznie niższą początkową ułamkową zawartość objętościową włókien w niezagęszczonych laminatach z maty przypadkowej w porównaniu do laminatów z splotu płóciennego oraz (2) zastosowanie żywicy o niskiej lepkości 296 mPa s, co ułatwia usuwanie nadmiaru żywicy. Warto również zauważyć, że zastosowanie ciśnienia magnetycznego daje dodatkową zaletę w postaci zmniejszenia ułamkowej zawartości objętościowej pustek w laminatach z 3,4-5,8% do 1,5-2,7%. Zatem ciśnienie magnetyczne wypycha z laminatu nie tylko nadmiar żywicy, ale również pustki.
Rysunek 3 przedstawia obrazy SEM laminatów z włókna szklanego typu E i żywicy epoksydowej, wykonanych w 6 różnych scenariuszach, przy powiększeniu 35X. Dla łatwiejszego porównania wizualnego, po lewej stronie przedstawiono obrazy laminatów wykonanych bez zewnętrznego nacisku, a po prawej laminaty wykonane z zastosowaniem zagęszczania magnetycznego. Z tych obrazów wynika, że wykorzystanie nacisku podczas zagęszczania magnetycznego skutkuje znacznie lepszą konsolidacją warstw i w konsekwencji prowadzi do istotnego zmniejszenia obszarów bogatych w żywicę. W rezultacie grubość laminatu ulega wyraźnemu zmniejszeniu, a zwiększa się ułamkowa zawartość włókien, szczególnie w laminatach wykonanych z tkaniny z maty przypadkowej i żywicy INF (WM-RM-INF). Obrazy te pokazują również, że morfologia pustek w laminatach wykonanych z zewnętrznym naciskiem i bez niego jest zupełnie inna. Zastosowanie nacisku magnetycznego zmniejsza liczbę pustek i sprawia, że stają się one mniejsze, co prowadzi do niższego ułamka objętości pustek w laminatach. Wreszcie, zagęszczenie pustek znajdujących się między warstwami prowadzi do powstania pustek o bardziej wydłużonym kształcie.
Tabela 3 przedstawia wytrzymałość na zginanie i moduł sprężystości wszystkich laminatów oraz procentowy wzrost właściwości zginania laminatów wykonanych pod wpływem magnetycznego ciśnienia konsolidacyjnego. Wyniki wyraźnie pokazują, że wytrzymałość na zginanie i moduł sprężystości laminatów uległy znacznej poprawie dzięki zastosowaniu ciśnienia magnetycznego. Wzrost frakcji objętościowej włókien o 98% w laminatach z maty przypadkowej/INF (WM-RM-INF), przy minimalnej zawartości pustek wynoszącej 1,46%, spowodował odpowiednio 62-procentowy i 67-procentowy wzrost wytrzymałości na zginanie i modułu sprężystości laminatów. Zgodnie z oczekiwaniami, laminaty z splotu płóciennego/INF (WM-PW-INF), które początkowo wykazały najniższą poprawę frakcji objętościowej włókien (13%), wykazały najniższy wzrost wytrzymałości na zginanie (7%) i modułu sprężystości (22%). W konsekwencji, poprawa właściwości zginania różnych laminatów kompozytowych wykonanych pod wpływem magnetycznego ciśnienia konsolidacyjnego potwierdza zdolność MACM do poprawy ogólnej jakości laminatu.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Wytwarzanie 
			scenariusz</td>
			<td>Rodzaj tkaniny</td>
			<td>System żywiczny</td>
			<td>Proces produkcyjny</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>W-PW-INF</td>
			<td>Włókno szklane E typu plain weave</td>
			<td>INF</td>
			<td>Konwencjonalne laminowanie ręczne z zastosowaniem worka próżniowego bez użycia ciśnienia zewnętrznego</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>WM-PW-INF</td>
			<td>Tkanina z włókna szklanego E z splotem płóciennym</td>
			<td>INF</td>
			<td>Metoda mokrego układania w worku próżniowym z zastosowaniem magnetycznego nacisku konsolidacyjnego</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>W-RM-INF</td>
			<td>Mata z włókna szklanego E random mat</td>
			<td>INF</td>
			<td>Konwencjonalne laminowanie ręczne metodą próżniową bez zastosowania zewnętrznego ciśnienia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>WM-RM-INF</td>
			<td>Mata szklana Random E-glass</td>
			<td>INF</td>
			<td>Metoda laminowania ręcznego z zastosowaniem worka próżniowego i magnetycznego ciśnienia konsolidacyjnego</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>W-RM-EPON</td>
			<td>Mata szklana z włókna E*</td>
			<td>EPON</td>
			<td>Konwencjonalna metoda laminowania ręcznego z wykorzystaniem worka próżniowego bez zastosowania zewnętrznego ciśnienia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>WM-RM-EPON</td>
			<td>Mata szklana z włókna E Random mat</td>
			<td>EPON</td>
			<td>Metoda ręcznego układania warstw z próżniowym workowaniem z wykorzystaniem magnetycznego ciśnienia konsolidacyjnego</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Szczegóły dotyczące składników i sześciu scenariuszy wykonania zastosowanych w produkcji 6-warstwowych laminatów kompozytowych.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody >
		<tr >
			<td >Scenariusz wytwarzania</td>
			<td >Średnia grubość (mm)</td>
			<td >Ułamk objętościowy włókien (%)</td>
			<td >Wzrost ułamka objętościowego włókien (%)</td>
			<td >Ułamk objętościowy pustek (%)</td>
			<td >Redukcja ułamka objętościowego pustek (%)</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >W-PW-INF</td >
			<td >0.98 ± 0.01</td >
			<td >45.65 ± 0.82</td >
			<td >―</td >
			<td >3.4 ± 0.46</td >
			<td >―</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >WM-PW-INF</td >
			<td >0.86 ± 0.01</td >
			<td >51.63 ± 0.87</td >
			<td >13</td >
			<td >1.74 ± 0.39</td >
			<td >49</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >W-RM-INF29</td >
			<td >2.28 ± 0.04</td >
			<td >24.84 ± 1.14</td >
			<td >―</td >
			<td >5.09 ± 0.69</td >
			<td >―</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >WM-RM-INF29</td >
			<td >1.21 ± 0.01</td >
			<td >49.10 ± 0.87</td >
			<td >98</td >
			<td >1.46 ± 0.24</td >
			<td >71</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >W-RM-EPON30</td >
			<td >3.18 ± 0.01</td >
			<td >17.34 ± 0.84</td >
			<td >―</td >
			<td >5.81 ± 1.24</td >
			<td >―</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >WM-RM-EPON30</td >
			<td >1.99 ± 0.03</td >
			<td >26.8 ± 1.9</td >
			<td >5</td >
			<td >2.71 ± 0.36</td >
			<td >53</td >
		</tr >
	</tbody >
</table>
Tabela 2: Średnia grubość, ułamek objętościowy włókien oraz ułamek objętościowy pustek dla laminatów 6-warstwowych wykonanych w sześciu różnych scenariuszach. Podano również procentowy wzrost ułamka objętościowego włókien oraz procentową redukcję ułamka objętościowego pustek w wyniku zagęszczania magnetycznego (n = 6 dla ułamka objętościowego włókien i ułamka objętościowego pustek oraz n = 35 dla średniej grubości laminatu; 95% przedziały ufności dla wszystkich danych).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody >
		<tr >
			<td >Scenariusz wytwarzania</td >
			<td >Wytrzymałość na zginanie (MPa)</td >
			<td >Wzrost wytrzymałości na zginanie (%)</td >
			<td >Moduł sprężystości przy zginaniu (GPa)</td >
			<td >Wzrost modułu sprężystości przy zginaniu (%)</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >W-PW-INF</td >
			<td >638.9 ± 27.0</td >
			<td >―</td >
			<td >24.1 ± 0.5</td >
			<td >―</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >WM-PW-INF</td >
			<td >681.1 ± 35.5</td >
			<td >7</td >
			<td >29.5 ± 0.9</td >
			<td >2</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >W-RM-INF29</td >
			<td >218.9 ± 1.4</td >
			<td >―</td >
			<td >8.4 ± 0.3</td >
			<td >―</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >WM-RM-INF29</td >
			<td >354.6 ±15.5</td >
			<td >62</td >
			<td >14.0 ± 0.8</td >
			<td >67</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >W-RM-EPON30</td >
			<td >158.1 ± 8.9</td >
			<td >―</td >
			<td >6.8 ± 0.1</td >
			<td >―</td >
		</tr >
		<tr >
			<td >WM-RM-EPON30</td >
			<td >253.5 ± 20.1</td >
			<td >60</td >
			<td >9.9 ± 0.6</td >
			<td >46</td >
		</tr >
	</tbody >
</table>
Tabela 3: Wytrzymałość na zginanie i moduł zginania laminatów kompozytowych oraz procentowy wzrost właściwości zginania dzięki zagęszczaniu magnetycznemu (n = 7 dla laminatów wykonanych z EPON i n = 14 dla pozostałych; 95% przedziały ufności dla wszystkich danych).
<img alt="Schemat ciśnienia konsolidacyjnego z magnesami trwałymi i układem próżniowym do łączenia materiałów kompozytowych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57254/57254fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Uproszczony schemat przygotowania laminatu kompozytowego i przyłożenia ciśnienia magnetycznego, opisany w sekcji Protokół. W tym celu wykorzystano dwudziestopięć magnesów NdFeB, N52 o wymiarach 2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 do wywierania nacisku konsolidującego na strukturę kompozytu wykorzystuje się magnesy trwałe. <a href="/files/ftp_upload/57254/57254fig1large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Ciśnienie magnetyczne w funkcji przerwy powietrznej i grubości układu warstw; wykres danych eksperymentalnych; układ testowy magnesów NdFeB." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57254/57254fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: (a) Zmienność ciśnienia magnetycznego generowanego przez magnes NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 magnes w funkcji przerwy (t. j. grubość warstwy). Na wstawce znajduje się zdjęcie układu eksperymentalnego wykorzystanego do pomiaru ciśnienia magnetycznego. (b) Wartości początkowego i końcowego ciśnienia magnetycznego przyłożonego podczas utwardzania laminatów z tkaniny płóciennej/INF (WM-PW-INF), maty przypadkowej/INF (WM-RM-INF) oraz maty przypadkowej/EPON (WM-RM-EPON). <a href="/files/ftp_upload/57254/57254fig2large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres zagęszczania magnetycznego przedstawiający redukcję pustek w materiale kompozytowym przy różnych ciśnieniach." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57254/57254fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Zdjęcia SEM 6-warstwowych laminatów kompozytowych z włókna szklanego E i żywicy epoksydowej, wykonanych metodą ręcznego układania w worku próżniowym z zastosowaniem i bez zastosowania ciśnienia magnetycznego. (a) W-PW-INF (laminat splotu płóciennego/INF, bez nacisku zewnętrznego), (b) WM-PW-INF (laminat splotu płóciennego/INF, z naciskiem magnetycznym), (c) W-RM-INF (laminat z przypadkową matą/INF, bez zewnętrznego ciśnienia), (d) WM-RM-INF (laminat z losowo rozmieszczonych mat/INF, z naciskiem magnetycznym), (e) W-RM-EPON (laminat z losowej maty/EPON, bez zewnętrznego nacisku) oraz (f) WM-RM-EPON (laminat z losowych mat/EPON, z naciskiem magnetycznym). <a href="/files/ftp_upload/57254/57254fig3large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</a>

Opisana jest nowa technika wywierania nacisku konsolidacyjnego na układ worka próżniowego w celu wytworzenia laminatów kompozytowych. Celem tego protokołu jest opracowanie prostej, opłacalnej techniki poprawy jakości laminatów wytwarzanych metodą worków próżniowych do układania na mokro.

Produkcja kompozytów wspomagana magnesami: nowa, elastyczna technika osiągania wysokiego ciśnienia konsolidacji w procesach próżniowego workowania/układania

This work demonstrates a protocol to improve the quality of composite laminates fabricated by wet lay-up vacuum bag processes using the recently developed ...

Ogólnym celem tej procedury jest zastosowanie techniki produkcji kompozytów wspomaganych magnesem lub techniki MACM w celu znacznej poprawy jakości laminatów kompozytowych z worków próżniowych do układania na mokro poprzez zastosowanie wysokiego ciśnienia konsolidacji podczas produkcji laminatu. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest to tani, prosty sposób wytwarzania laminatów kompozytowych i może być używany do stosunkowo łatwego wytwarzania dużych, skomplikowanych geometrycznie części. Metoda ta ma szerokie zastosowanie nie tylko w procesach worków próżniowych z warstwą mokrą, ale także w innych technikach produkcji kompozytów, takich jak utwardzanie prepregów poza autoklawem i formowanie transferowe żywicy wspomagane próżniowo.Przygotowanie warstw oraz rozmieszczenie i rozmieszczenie magnesów są trudne do nauczenia się bez wizualnej demonstracji. Wierzymy, że ta prezentacja pomoże innym badaczom wdrożyć MACM do produkcji wysokowydajnych laminatów kompozytowych. Aby rozpocząć procedurę, ostrożnie umieść 25 magnesów trwałych neodymowo-żelazowo-borowych N52 o wymiarach jeden cal na jeden cal na 1/2 cala w konfiguracji kwadratowej pięć na pięć w naprzemiennej polaryzacji na stalowej płycie magnetycznej o wymiarach 12 cali na 6 cali na 3/16 cala.Użyj obrotowego noża do tkanin, aby wyciąć sześć warstw włókna szklanego o splocie płóciennym o wymiarach osiem cali na sześć cali, a następnie wymieszaj 40 gramów żywicy epoksydowej i 10,96 grama utwardzacza do żywicy przy 350 obr./min, aż do całkowitego wymieszania. Odgazuj żywicę przez 15 minut, aby usunąć uwięzione powietrze wprowadzone podczas procesu mieszania. Następnie umieść aluminiową płytkę uszczelniającą o grubości 0,3 milimetra i wymiarach osiem cali na sześć cali, wstępnie pokrytą środkiem antyadhezyjnym PTFE, pośrodku perforowanej folii antyadhezyjnej o wymiarach 10 1/2 cala na 8 1/2 cala.Przyklej krawędzie płytki uszczelniającej do folii antyadhezyjnej taśmą poliestrową o szerokości pół cala. Następnie przymocuj elastyczną silikonową blachę grzewczą z klejem po jednej stronie stalowej płyty narzędziowej o grubości 1/4 cala z serii 400. Przykryj obszar o wymiarach 17 cali na 11 cali po drugiej stronie stalowej płyty nieporowatą folią antyadhezyjną z włókna szklanego o grubości 0,003 cala.Obrysuj obszar dwustronną taśmą uszczelniającą o szerokości 1/2 cala przeznaczoną do pakowania próżniowego. Nałóż tylko tyle odgazowanej żywicy na obszar o wymiarach sześć cali na osiem cali, aby zwilżyć pojedynczą warstwę włókna szklanego o splocie płóciennym. Umieść pojedynczą warstwę tkaniny na żywicy i za pomocą wałka dociśnij i wyciśnij nadmiar żywicy.Wlej dodatkową żywicę na tkaninę i za pomocą ściągaczki rozprowadź żywicę na tkaninie, aż łoże z włókna zostanie w pełni nasycone. Powtórz ten proces dla pozostałych pięciu warstw włókna szklanego, używając w przybliżeniu takiej samej ilości żywicy dla każdej warstwy. Następnie umieść płytkę uszczelniającą na podeście z włókna.Przyklej krawędzie dołączonej folii antyadhezyjnej taśmą poliestrową. Umieść dwie warstwy tkaniny odpowietrzającej o wymiarach 16 cali na 10 cali na wierzchu folii antyadhezyjnej. Umieść dolną część dwuczęściowego aluminiowego zaworu próżniowego z blokadą skrętną na ściereczce odpowietrzającej, upewniając się, że zawór znajduje się co najmniej sześć cali lub 15.3 centymetra od nasyconej preformy, aby uniknąć kontaktu z nadmiarem żywicy.Usuń podkład z taśmy uszczelniającej. Umieść folię do pakowania próżniowego na zespole i mocno dociśnij krawędzie do taśmy uszczelniającej. Następnie podłącz górną część zaworu próżniowego do pompy próżniowej wyposażonej w regulator ciśnienia.Wytnij małą szczelinę w folii worka próżniowego nad dolną częścią zaworu. Włóż górną część zaworu do dolnej części i delikatnie przekręć górną część, aby zablokować ją na miejscu bez marszczenia worka próżniowego. Uruchom pompę próżniową, poczekaj, aż ciśnienie ustabilizuje się na poziomie 93 kilopaskali i sprawdź, czy w układzie nie ma wycieków.Clamp wszystkie cztery boki dolnej płyty do podstawy nośnej, aby unieruchomić zespół. Pozostaw laminat do utwardzenia w stałej próżni przez 45 minut w temperaturze pokojowej. Następnie ostrożnie umieść układ magnesów trwałych na worku próżniowym, uważając, aby magnesy były prawidłowo wyrównane ze stosem włókien.Podnieś temperaturę dolnej płyty do 60 stopni Celsjusza przy pięciu stopniach Celsjusza na minutę. Utwardzaj laminat przez osiem godzin w tej temperaturze. Po zakończeniu utwardzania zwolnij podciśnienie, wyjmij worek próżniowy i wyjmij laminat kompozytowy z formy.Aby rozpocząć procedurę pomiaru, przymocuj stalową płytę dolną do ruchomej poprzeczki mechanicznego przyrządu testującego wyposażonego w ogniwo obciążnikowe o sile 1 000 funtów i liniowy zmienny transformator różnicowy. Przymocuj stalową płytę górną do ogniwa obciążnikowego. Upewnij się, że dolna płyta stalowa znajduje się co najmniej 25 milimetrów od górnej płyty.Następnie ostrożnie umieść jeden magnes trwały neodymowo-żelazowo-borowy na dolnej płycie. Zacznij przesuwać dolną płytę w górę z prędkością od jednego do dwóch milimetrów na minutę. Rejestruj wygenerowaną siłę magnetyczną i przemieszczenie w czasie.Kontynuuj monitorowanie pomiarów magnetycznej siły zagęszczania, aż magnes prawie zetknie się z górną płytą. Następnie przerwij test i oblicz magnetyczne ciśnienie zagęszczania w funkcji szczeliny. Aby rozpocząć oznaczanie gęstości, należy wyciąć trzy próbki z próbki laminatu zgodnie ze specyfikacjami ASTM.Umieść każdą próbkę w zlewce zawierającej 300 mililitrów przezroczystej ciężkiej cieczy wodnej. Umieścić próbkę kompozytową w zlewce i upewnić się, że próbka unosi się na cieczy. Dodaj trzy mililitry wody destylowanej do płynu i mieszaj roztwór z prędkością 1 000 obr./min przez pięć minut.Kontynuuj dodawanie wody w ten sposób, aż próbka złożona zostanie zawieszona w mieszaninie, wskazując, że gęstość roztworu jest równa gęstości próbki. Użyj miseczki o ciężarze właściwym, aby określić gęstość roztworu. Aby rozpocząć procedurę wypalania żywicy, umieść każdą próbkę w osobnym tyglu porcelanowym.Zmierz i zapisz masę próbek, a także tygli, a następnie umieść tygle w piecu. Rozgrzej piec do 1, 112 stopni Fahrenheita lub 600 stopni Celsjusza przy około 10 stopniach Celsjusza na minutę i pozwól żywicy wypalić się przez cztery godziny. Następnie wyłącz piec i ostrożnie otwórz drzwiczki pieca.Pozwól piecowi ostygnąć do temperatury pokojowej. Następnie wyjmij schłodzone tygle z pieca i zważ odzyskane włókna szklane, aby obliczyć frakcje wagowe włókna i żywicy. Zmierzone ciśnienie magnetyczne generowane przez magnes neodymowo-żelazowo-borowy w funkcji szczeliny między płytami zgadzało się z kartą katalogową dostarczoną przez dostawcę, potwierdzając, że do laminatu wywierany jest zwiększony nacisk magnetyczny wraz ze zmniejszaniem się grubości warstwy podczas procesu utwardzania.Umiarkowane zmniejszenie grubości ułożenia dwóch losowo ułożonych laminatów matowych podczas konsolidacji spowodowało znaczny wzrost ciśnienia magnetycznego. Grubość ułożenia laminatu o splocie płóciennym zmniejszyła się tylko nieznacznie, co spowodowało niewielki wzrost ciśnienia magnetycznego podczas konsolidacji. Zastosowanie magnetycznego nacisku zagęszczania w zakresie od 0,2 do 0,4 mega paskali znacznie zmniejszyło średnią grubość laminatu zarówno dla laminatów o splocie płóciennym, jak i losowych matowych laminatów z włókna szklanego.Znalazło to odzwierciedlenie w znacznym zmniejszeniu obszarów bogatych w żywicę i objętości pustych przestrzeni. Tę zmianę zaobserwowano w wielu systemach żywicznych. Zwiększona frakcja objętościowa włókien i zmniejszona frakcja objętości pustek laminatów wytworzonych za pomocą MACM spowodowały znaczną poprawę wytrzymałości na zginanie i modułu zginania w porównaniu z laminatami produkowanymi konwencjonalnie.Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak używać magnesów trwałych do wywierania wysokiego ciśnienia konsolidacji podczas utwardzania laminatu w procesie mokrego worka próżniowego. Wysokie ciśnienie konsolidacji znacznie poprawiło właściwości tych laminatów kompozytowych. Jesteśmy bardzo podekscytowani zastosowaniem ciśnienia magnetycznego w produkcji strukturalnych, wysokowydajnych laminatów kompozytowych.Wierzymy, że metoda ta może być zastosowana w innych procesach produkcji kompozytów. Nie zapomnij zachować szczególnej ostrożności podczas ustawiania i umieszczania magnesów trwałych, ponieważ generują one bardzo wysokie ciśnienie. Podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak noszenie rękawic odpornych na uderzenia.

magnet-assisted-composite-manufacturing-flexible-new-technique-for

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Prezentujemy nowatorską metodę produkcji sztywnych i wytrzymałych krótkich preform z włókien naturalnych przy użyciu procesu produkcji papieru. Celuloza bakteryjna działa jednocześnie jako spoiwo dla luźnych włókien i zapewnia sztywność preformom włókien. Preformy te mogą być nasączane żywicą w celu uzyskania prawdziwie zielonych, hierarchicznych kompozytów.

Produkcja wytrzymałych pform z włókien naturalnych wykorzystujących celulozę bakteryjną jako spoiwo

Trójwymiarowe (3D) mikrostrukturalne wiązki kompozytowe są wytwarzane poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Elastyczność tej metody produkcji umożliwia wykorzystanie różnych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy w celu uzyskania różnorodnych funkcjonalnych makroskopowych produktów nanokompozytowych wzmocnionych 3D.

Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Pośrednia metoda wytwarzania przyrostowego, łącząca drukowanie 3D polimerów z odlewaniem odśrodkowym, jest opisana do produkcji metali kratownicowych 3D (stopy Al i Cu) o długości komórki elementarnej 5 mm i grubości ścianki 0,5 mm.

Pośrednie wytwarzanie metali kratowych o cienkich przekrojach przy użyciu odlewania odśrodkowego

Ten manuskrypt przedstawia solidną metodę wytwarzania wklęsłych mikrostudzienek bez potrzeby skomplikowanych, kosztownych urządzeń. Wykorzystując siłę magnetyczną, stalowe kulki i układ otworów przelotowych, uformowano kilkaset mikrostudzienek w podłożu z polidimetylosiloksanu (PDMS) o wymiarach 3 cm x 3 cm.

Sparowany układ ściegów i magnesów do formowania mikrostudzienek o zmiennej geometrii wklęsłej

Przedstawiono protokół odsłaniania gołych włókien na powierzchni kompozytu poprzez eliminację obszaru bogatego w żywicę. Włókna są odsłaniane podczas wytwarzania kompozytów, a nie przez obróbkę powierzchni. Odsłonięte kompozyty węglowe charakteryzują się wysoką przewodnością elektryczną w kierunku przekroju i grubością oraz wysokimi właściwościami mechanicznymi.

Eksperymentalne wdrożenie nowej metody wytwarzania kompozytów: naświetlanie gołych włókien na powierzchni kompozytu metodą miękkiej warstwy

Opracowano strategię wytwarzania przyrostowego do przetwarzania hydrożeli sieciowanych UV. Strategia ta pozwala na montaż warstwa po warstwie mikroprefabrykowanych struktur hydrożelowych, a także na montaż niezależnych komponentów, co pozwala na uzyskanie zintegrowanych urządzeń zawierających ruchome elementy, które reagują na aktywację magnetyczną.

Technika wytwarzania przyrostowego do łatwego i szybkiego wytwarzania mikromaszyn na bazie hydrożelu z komponentami reagującymi magnetycznie

Metoda zwana negatywnym wytwarzaniem addytywnym jest używana do produkcji prawie w pełni gęstych, złożonych części z węglika boru o różnych skalach długości. Technika ta jest możliwa dzięki sformułowaniu nowej zawiesiny zawierającej rezorcynę i formaldehyd jako unikalny środek żelujący, który po pirolizie pozostawia jednorodny środek wspomagający spiekanie węgla.

Ujemna produkcja addytywna węglików boru o złożonym kształcie

Opracowany jest system wspólnej produkcji kompozytów do zrobotyzowanego układania laminatów kompozytowych za pomocą taśmy prepregowej. Proponowany system pozwala na produkcję laminatów kompozytowych o wysokim poziomie skomplikowania geometrycznego. W proponowanej metodzie rozwiązano problemy związane z planowaniem ścieżek, koordynacją robotów i sterowaniem.

Działanie systemu Collaborative Composite Manufacturing (CCM)

Delitynizowane zagęszczone drewno stanowi nowy, obiecujący, lekki, wysokowydajny i pochodzenia biologicznego materiał o dużym potencjale, aby w przyszłości częściowo zastąpić kompozyty wzmocnione włóknem naturalnym lub włóknem szklanym. Przedstawiamy tutaj dwie wszechstronne ścieżki produkcji i pokazujemy możliwość tworzenia złożonych części kompozytowych.

Wytwarzanie i projektowanie wysokowydajnych kompozytów drewnopochodnych

Ten artykuł opisuje proces produkcji laminatów kompozytowych z matrycą polimerową wzmocnioną włóknami, uzyskanych metodą mokrego ręcznego układania/worka próżniowego.

Pomiar właściwości mechanicznych polimerowych laminatów kompozytowych wzmocnionych włóknem szklanym otrzymanych w różnych procesach produkcyjnych

Przedstawiono metodę nałożenia topografii powierzchniowej pochłaniającej światło materiałów kompozytowych polimerowych, szczególnie magnetoaktywnych elastomerów (MAE), za pomocą mikroobróbki laserowej. Ta metoda umożliwia dużą elastyczność w projektowaniu topograficznym i szybkim prototypowaniu. Przedstawiono przykład strukturyzacji powierzchni MAE, charakteryzacji oraz ich reakcji na zewnętrzne pole magnetyczne.

Mikroobróbka laserowa do projektowania topografii powierzchni polimerów

Poznaj technikę MACM do produkcji kompozytów z włókna szklanego i żywicy epoksydowej przy użyciu magnesów neodymowych. Ta metoda zapewnia wysokie ciśnienie konsolidacji, poprawiając właściwości mechaniczne laminatów.

Produkcja kompozytów wspomagana magnesami: nowa, elastyczna technika osiągania wysokiego ciśnienia konsolidacji w procesach próżniowego workowania/układania (Wideo) | JoVE Journal

Produkcja kompozytów wspomagana magnesami: nowa, elastyczna technika osiągania wysokiego ciśnienia konsolidacji w procesach próżniowego workowania/układania

Przeglądaj więcej filmów