Tow spreidingstechnieken in composietfabricage begrijpen

Terwijl het hoofdartikel "The spread of spread tow" naar de druk ging, was deze Side Story heel anders, over hoe veel we niet weten over hoe tow wordt gespreid. En toen liep ik tegen een artikel in de AZL nieuwsbrief NewsLIGHT #7: ITA getiteld "New ultrasonic spreading process for processing reinforcement tows". Het bleek dat het Institute for Textile Technology (ITA) aan de RWTH Aachen Universiteit (Aachen, Duitsland) sinds 2011 spreid tow methoden bestudeert. "We begonnen met testen van alle verschillende methoden om tow in tape te spreiden en deden veel onderzoek naar de beïnvloedende factoren van elk en hoe deze te optimaliseren," zegt Wilko Happach, hoofd van de Tapes onderzoeksgroep binnen ITA's Composites Afdeling. Als resultaat heeft ITA nieuwe technologie ontwikkeld die hoge-snelheidsproductie mogelijk maakt – tot 100 m/min – van spreid tow tape met veel minder variatie in breedte dankzij geïntegreerde controle. ITA noemt deze technologie AutoTow.

Spreid tow technieken begrijpen

ITA begon zijn onderzoek in de zoektocht naar tape. "We hadden gezien dat geweven en non-crimp stoffen significante snijafval produceerden en ook niet toelieten geoptimaliseerde ontwerpen," herinnert Happach. "Omdat de vezels niet allemaal in de richting van de belasting worden aangebracht, wordt vezel verspild." Zijn team keek dus naar geautomatiseerd tape leggen, maar er was zowel een tekort aan tapevoorraad als kennis op dat moment, zegt Happach. "Zo maakten we onze eigen, met de keuze om eerst droge-vezel, gebonden tapes te ontwikkelen." Om dit te doen, moesten ze eerst spreiden begrijpen.

Happach beschrijft drie basis methoden voor het spreiden van roving in bredere, dunner tapes:

1. Vezels trekken over spreidstaven met hoge spanning.
2. Luchtspreiding met een spleetmondstuk.
3. Ultrasonische of andere trilling toepassen op vezels.

Spreidingstechnologieën en Procesparameters

Ultrasonische spreiding

• Aantal spreidstaven (3-5)
• Omvinkel om staven (90-180°)
• Staaf temperatuur (22-150°C)
• Staaf oppervlak (gepolijst, TopoCrom-gecoat of Bechem-gecoat)
• Roving voor-spanning (tot 2.000 centiNewton)

• Luchtdruk (0-6 bar)
• Hoek van luchtstroom (0-180°)

• Aantal actieve spreidstaven (3-5)
• Omvinkel om staven (1-120°)
• Ultrasonische frequentie (30 kHz)
• Amplitude intensiteit (50-100%)
• Roving voor-spanning (tot 2.000 centiNewton)

BRON: ITA Tape Center, RWTH Aachen Universiteit.

Spreidstaven lijken de oudste en meest basistechniek, gebruikt in een 2001 octrooi ingediend door koolstofvezelproducent Zoltek. Happach merkt op dat toeleverancier Karl Mayer ook vertrouwt op spreidstaven in zijn tape en spreid tow stof machines. "Het probleem met deze methode is dat het de productiesnelheid beperkt tot 25 m/min," zegt hij. "Als je sneller probeert te gaan, is de wrijving te hoog en beschadigt het de roving filamenten. Staafspreiding is ook beperkt in de maximale spreidbreedte. Je kunt roving maximaal 3 keer de initiële breedte spreiden."

Luchtspreiding, zegt Happach, wordt gebruikt als maximale spreidbreedte gewenst is voor lagere areagewicht. "De luchtstroom scheidt de filamenten en maakt spreiding mogelijk tot 6-7 keer de initiële rovingbreedte met veel minder filamentbeschadiging omdat er minder wrijving is," legt hij uit. "Er is geen trekken van het vezel over staven bij hoge spanning."

Er is echter een beperking afhankelijk van de grootte die op glas- of koolstofvezel wordt toegepast. Happach legt uit: "Vezel gesized voor epoxy en andere thermoharsende harsen kan kleverig zijn, zodat het luchtspreidingsproces de filamenten niet gemakkelijk kan scheiden." In dit geval kan een pre-proces nodig zijn om de sizing iets te breken. Echter, sizing compatibel met thermoplastische matrixharsen, wat ook thermoplastisch is, is helemaal niet kleverig en gedraagt zich alsof het een ongezijd vezel is. Met andere woorden, er is geen interfilaire adhesie. "Dus dit is makkelijk te spreiden maar moeilijk te hanteren omdat het neigt uit elkaar te vallen," merkt Happach op.

Ultrasonische spreiding gebruikt hetzelfde basisprincipe als spreidstaven maar met halfcilinder vormige sonotroden, die, Happach opmerkt, "veel energie overbrengen. De roving wikkelt om de sonotroden en door ultrasoon toe te passen, trillen de filamenten en leggen zich op het oppervlak neer, spreidend uit." Deze techniek kan hogere spreidverhoudingen opleveren (d.w.z. groter vezeltow gespreid in zeer dunne, brede tapes) maar kan niet gebruikt worden met glasvezel of pitch-gebaseerde koolstofvezel omdat ze te broos zijn en zullen breken.

"Je kunt ook mechanisch geïnduceerde, lagere frequentie trilling gebruiken," zegt Happach, "en warmte kan gebruikt worden om de vezel sizing te verzachten, zodat de filamenten gemakkelijker kunnen bewegen."

AutoTow

ITA ontwikkelde AutoTow om de problemen op te lossen met deze basisspreidingsmethoden. Happach merkt op dat het Tape Center voornamelijk werkt met 24K, 50K en 60K tow (waarvan hij opmerkt dat het van Mitsubishi is) omdat de spreidingseffecten het hoogst zijn. "We kunnen hogere productiesnelheden bereiken tot 100 m/min omdat we de individuele spreidstaven kunnen roteren tot 80 m/min," legt hij uit. "Dus is de relatieve snelheid 20 m/min, wat goed is voor spreiden zonder filamentbeschadiging."

Happach wijst erop dat omdat de input roving/tow variaties heeft, de breedte van de output gespreide tow ook varieert. "Met prepreg tapes snijden leveranciers gewoon de randen af. Maar we begonnen met droge, gebonden tape, wat veel minder hars heeft, dus is het te hard om de randen af te snijden." Happach's team realiseerde zich dat ze een betere manier nodig hadden om de spreidbreedte te controleren.

"We gebruiken camera's om de breedte te meten die binnenkomt en het spreider verlaat," legt hij uit. "Een algoritme gebruikt deze breedtemeting, de processnelheid en bepaalde bekende factoren over elk materiaal om de snelheid te berekenen en te controleren van elk van de 5 roterende staven om de tapebreedte continu aan te passen. We kunnen de variatie reduceren tot minder dan 1 millimeter."

"We zijn ook in staat de omvinkel aan te passen van de roving om elke spreidstaaf," gaat Happach door, "maar niet in real-time. Dus dit is meer een calibratie voor elke productierun. Alles anders wordt in-line gedaan," betoogt hij. "Als je wilt gaan van 25 mm naar 30 mm in spreid tow breedte, voer je dat nummer in en binnen een paar seconden zal het tijdens productie veranderen, zelfs bij hoge snelheid, zelfs 100 m/min."

Toekomstige ontwikkeling

Het doel van het ITA Tape Center is om de volledige tape procesketen te hebben om industriële ontwikkeling te ondersteunen. "Ons doel is om industriële partners te trekken om nieuwe oplossingen voor hen te ontwikkelen," legt Happach uit. "We zijn in het proces een tape productielijn en onderdeelproductielijn ook te bouwen. We willen alle operaties hebben: sizing, spreiden, tape productie, geautomatiseerd tape leggen en harden." Hij zegt dat ITA nooit een machineleverancier of onderdelenfabrikant zal zijn. "We willen productie bereiken van lichte dunne-laag onderdelen omdat we gezien hebben dat dunner de lagen, hoger de mechanische eigenschappen. Nu we droge, gebonden tapes kunnen produceren bij hoge snelheden en hoog kwaliteitsniveau, is ons doel om lager in areagewicht te gaan en vervolgens thermoplastische en thermoharsende prepreg tapes te produceren."

Precies zoals het ITA Tape Center de productieruimte heeft gedefinieerd voor spreid tow processen en hun parameters, heeft het ook significante kennis ontwikkeld rond de impact van vezel sizing en tape binder technologie. "We hebben leveranciers die verschillende sizing recepten willen testen om te zien wat het beste is voor spreiden," zegt Happach.

Voor bindermaterialen benadrukt hij dat de belangrijkste factor compatibiliteit is met de matrixhars. "Een thermoharsende binder zal de hoogste eigenschappen bereiken voor een thermoharsende matrix." Evenzo, voor een thermoplastische matrix moet de binder thermoplastisch zijn, en kan worden aangebracht met poeder, veil of hot melt. De laatste twee maken heel snelle toepassing mogelijk en geven hoge stabiliteit aan de tape, maar Happach merkt op dat de veil lichtjes hogere binderinhoud geeft. Dit kan gewenst zijn of niet, afhankelijk van ontwerp en fabricageproces overwegingen. Onderzoek naar binderparameters en hoe deze de eindonderdelen beïnvloeden zal doorgaan naarmate ITA zijn volledige procesketen uitbouwt.