PL245780B1

PL245780B1 - Sposób produkcji profili z materiałów kompozytowych w procesie termoformowania na prasie i w podwyższonej temperaturze, z wykorzystaniem zjawiska odsprężynowania

Info

Publication number: PL245780B1
Application number: PL433799A
Authority: PL
Inventors: Marcin Głodzik; Aleksander Banaś; Konrad Farbaniec
Original assignee: Polskie Zakl Lotnicze Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2020-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2024-10-14
Also published as: PL433799A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób produkcji profili z materiałów kompozytowych w procesie termoformowania na prasie i w podwyższonej temperaturze charakteryzujący się tym, że wykorzystując foremnik mający kąt β najpierw wytwarza się pierwszy profil z materiału kompozytowego pierwszego typu, mający grubość g' i docelowy kąt profilu α', przy danej prędkości studzenia T', po czym wykorzystuje się ten sam foremnik i wytwarza się drugi profil z materiału kompozytowego drugiego typu, mający grubość g" i docelowy kąt profilu α", przy prędkości studzenia T", gdzie materiał kompozytowy pierwszego typu jest inny od materiału kompozytowego drugiego typu lub grubość g' ≠ g" lub docelowy kąt profilu α' ≠ α", zaś prędkość studzenia T' jest inna niż prędkość studzenia T".

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy procesu produkcji elementów z termoplastycznych kompozytów, zwłaszcza zbrojonych włóknem węglowym na osnowie m.in. PEEK, PEK, PAEK, PPS, w procesie termoformowania na prasie w podwyższonej temperaturze.

Podczas procesu termoformowania elementów z termoplastycznych kompozytów pewną trudnością przy tworzeniu przedmiotów o precyzyjnie określonej geometrii jest zjawisko skurczu, który towarzyszy materiałom termoplastycznym podczas studzenia. Zależność deformacji stygnącego przedmiotu jest proporcjonalna do prędkości studzenia i określa kąt odsprężynowania - im szybciej przedmiot jest studzony, tym bardziej jego końcowy kształt będzie odbiegać od kształtu foremnika. Kąt odsprężynowania zależy od wielu czynników związanych bezpośrednio z cechami formowanego przedmiotu, takimi jak: grubość laminatu, układ warstw, wysokość półek, rodzaj zbrojenia, rodzaj osnowy. To powoduje, że nawet ten sam profil, lecz z innym układem warstw musi zostać wytworzony na innym, uprzednio zweryfikowanym foremniku by zapewnić pożądany kąt.

Z uwagi na opisaną powyżej niedogodność, produkując foremniki mające nadać konkretny kształt dla kompozytów z materiałów termoplastycznych, powszechnie nadaje się im geometrie o kątach rozwarcia większych niż planowane geometrie (kąty) przedmiotów do uzyskania. Ponadto, na etapie projektowania powoduje to konieczność przeprowadzania kosztochłonnych prób technologicznych oraz symulacji numerycznych w celu wyznaczenia kąta od sprężynowania indywidualnie dla każdej części. W efekcie, nawet ten sam profil (geometrycznie), lecz np. z innym układem warstw, musi zostać wytworzony na innym, uprzednio zweryfikowanym foremniku by zapewnić pożądany kąt. Skutkuje to z przygotowywaniem różnych foremników dla przedmiotów o różnych geometriach (np. o różnych kątach rozwarcia lub różnej grubości) i dla różnych konfiguracji materiałowych, choćby różnice były stosunkowo niewielkie. Zapewnienie wielu foremników zwiększa koszty produkcji jak również zmniejsza czas wykorzystania pras, gdyż przy przejściu na produkcję przedmiotu o innej geometrii każdorazowo konieczna jest wymiana foremnika.

Celem wynalazku jest zatem zniwelowanie wskazanych powyżej niedogodności, poprzez zapewnienie sposobu produkcji elementów z termoplastycznych kompozytów w którym zjawisko odsprężynowania, będące efektem skurczu osnowy kompozytu pod wpływem chłodzenia, nie będzie wiązać się z koniecznością wytwarzania dużej liczby foremników dostosowanych tylko i wyłącznie do produkcji jednego typu przedmiotów.

Przedmiotem wynalazku jest sposób produkcji profili z materiałów kompozytowych w procesie termoformowania na prasie i w podwyższonej temperaturze charakteryzujący się tym, że wykorzystując foremnik mający kąt β najpierw wytwarza się pierwszy profil z materiału kompozytowego pierwszego typu, mający grubość g’ i docelowy kąt profilu a’, przy danej prędkości studzenia T’, po czym wykorzystuje się ten sam foremnik i wytwarza się drugi profil z materiału kompozytowego drugiego typu, mający grubość g’’ i docelowy kąt profilu a’’, przy prędkości studzenia T’’, gdzie materiał kompozytowy pierwszego typu jest inny od materiału kompozytowego drugiego typu lub grubość g’ * g’’ lub docelowy kąt profilu a’ * a’’, zaś prędkość studzenia T’ jest inna niż prędkość studzenia T’’.

Korzystnie, typy materiałów kompozytowych różnią się między sobą układem warstw, wysokością półek, rodzajem zbrojenia, rodzajem osnowy.

Korzystnie, materiałem kompozytowym są kompozyty zbrojone włóknem węglowym.

Korzystnie, materiałem kompozytowym są kompozyty mające materiał osnowy wybrany z grupy obejmującej PEEK, PEK, PAEK, PPS.

Odpowiednia regulacja czasu i prędkości studzenia daje efekt w postaci odpowiedniego kąta finalnego wyrobu. Można w ten sposób uzyskać profil o różnym kącie w przewidywalnym zakresie na tym samym foremniku lub profile o tym samym kącie lecz różniące się grubością, układem warstw, wysokością półek, rodzajem zbrojenia czy rodzajem osnowy.

Wynalazek zostanie poniżej bliżej przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania w nawiązaniu do załączonego rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia zależność kąta odsprężynowania w funkcji prędkości studzenia termoplastycznego kompozytu węglowego,

Fig. 2 przedstawia efekt zmiany prędkości studzenia części w tym samym foremniku i z takim samym materiałem, zaś

Fig. 3 przedstawia schemat przykładowej różnicy w materiale wsadowym do procesu oraz efekt zmiennego czasu studzenia.

Zależność zmiany kąta odsprężynowania w funkcji prędkości stygnięcia układa się wg. krzywej prezentowanej na Fig 1. W wyniku analizy tej zależności, możliwe jest przewidywanie, w jaki sposób będą się zachowywać przedmioty z kompozytów, formowane na prasie w podwyższonej temperaturze. Dotychczas wykorzystywano wiedzę o zależności kąta odsprężynowania do tego, by dla każdej nowej części zaprojektować nowy foremnik - z uwagi na pracę z zachowaniem zasadniczo zbliżonych parametrów procesu formowania, zwłaszcza z zasadniczo stabilnym i niezmiennym tempem / prędkością studzenia.

Nieoczekiwanie zauważono, że możliwe jest wykorzystanie zmienności tej funkcji (przedstawionej na Fig. 1) w celu regulacji kąta odsprężynowania poprzez sterowanie prędkością studzenia, czyli w praktyce utrzymanie formowanego elementu w nagrzanym zestawie matrycowym dłużej bądź krócej. Efekt tego zabiegu przedstawiono graficzne na Fig. 2.

Efekt zależności kąta odsprężynowania od prędkości studzenia można wykorzystać również do wytwarzania elementów o takiej samej geometrii na tym samym foremniku lecz przy zmiennym materiale np. grubość laminatu, układ warstw, wysokość półek, rodzaj zbrojenia, rodzaj osnowy. Fig. 3 przedstawia efekt zastosowania metody regulacji prędkości studzenia dla elementu o różnej grubości wykonanym na tym samym foremniku.

Produkując przedmioty z termoplastycznych materiałów kompozytowych sposobem według wynalazku, zwłaszcza zbrojonych włóknem węglowym na osnowie m.in. PEEK, PEK, PAEK, PPS, najpierw dobiera się foremnik o geometrii odpowiadającej produkowanemu przedmiotowi, gdzie kąt rozwarcia foremnika jest większy bądź równy kątowi wyznaczającemu profil produkowanego przedmiotu, po czym dobiera się tempo studzenia, wykorzystując znajomość zależności wyznaczającej kąt odsprężynowania. Po wytworzeniu przedmiotu o danych parametrach materiałowych/geometrycznych i przed przystąpieniem do produkcji kolejnego przedmiotu, o odmiennych parametrach od jego poprzednika - weryfikuje się (w oparciu o zależność wyznaczającą kąt odsprężynowania), czy taki przedmiot można uformować z wykorzystaniem tego samego foremnika, zmieniając tylko temp studzenia. Jeżeli jest to możliwe - odpowiednio zmienia się parametry procesu termoformowania na prasie i formuje się kolejny przedmiot. Wymiany foremnika dokonuje się tylko w przypadku, gdy nawet po uwzględnieniu kąta odsprężynowania niemożliwe jest uzyskanie pożądanej geometrii.

Należy przy tym zauważyć, że możliwe w najprostszej sytuacji po uformowaniu przedmiotów/części o kącie profilu «2 można uformować przedmiot o kącie profilu «3, gdzie «2 > «3, w której to sytuacji przedmiot o kącie profilu «3 byłby studzony bardziej intensywnie/szybciej. Również, uprzednio planując proces produkcji, można kolejno formować części mające kąty profilu «4, «5 i «6, gdzie «5 > «4 > «6 - w takiej sytuacji część o kącie «5 (największym) byłaby studzona najdłużej (najmniej intensywnie) a część o kącie «6 (najmniejszym) byłaby studzona najkrócej (najbardziej intensywnie).

Wobec powyższego, dzięki kontrolowaniu prędkości studzenia, możliwe jest znaczne zmniejszenie kosztów produkcji przedmiotów z termoplastycznych kompozytów i zmniejszenie liczby wytwarzanych i wykorzystywanych foremników.

Objaśnienie użytych oznaczeń:

t1 - profil przedmiotu przy dużej prędkości studzenia / intensywnym studzeniu;

t2 - profil przedmiotu przy niskiej prędkości studzenia / powolnym studzeniu;

g - grubość materiału wsadowego;

« - finalny kąt profilu;

β - kąt foremnika;

T - prędkość studzenia.

Claims

1. Sposób produkcji profili z materiałów kompozytowych w procesie termoformowania na prasie i w podwyższonej temperaturze znamienny tym, że wykorzystując foremnik mający kąt β najpierw wytwarza się pierwszy profil z materiału kompozytowego pierwszego typu, mający grubość g’ i docelowy kąt profilu «’, przy danej prędkości studzenia T’, po czym wykorzystuje się ten sam foremnik i wytwarza się drugi profil z materiału kompozytowego drugiego typu, mający grubość g” i docelowy kąt profilu a”, przy prędkości studzenia T”,

PL 245780 Β1 gdzie materiał kompozytowy pierwszego typu jest inny od materiału kompozytowego drugiego typu lub grubość g’ g” lub docelowy kąt profilu a’ a”, zaś prędkość studzenia T jest inna niż prędkość studzenia T”.

2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że typy materiałów kompozytowych różnią się między sobą układem warstw, wysokością półek, rodzajem zbrojenia, rodzajem osnowy.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2 znamienny tym, że materiałem kompozytowym są kompozyty zbrojone włóknem węglowym.

4. Sposób według zastrz. 1,2 albo 3 znamienny tym, że materiałem kompozytowym są kompozyty mające materiał osnowy wybrany z grupy obejmującej PEEK, PEK, PAEK, PPS.