PL248395B1

PL248395B1 - Sposób wykonywania kompozytowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych włóknem

Info

Publication number: PL248395B1
Application number: PL445163A
Authority: PL
Inventors: Dariusz Boroński; Katarzyna Balcer; Krzysztof Lewandowski
Original assignee: Politechnika Bydgoska Im Jana I Jedrzeja Sniadeckich
Priority date: 2023-06-06
Filing date: 2023-06-06
Publication date: 2025-12-08
Also published as: PL445163A1

Abstract

Przedmiotem rozwiązania jest sposób wykonania kompozytowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych tkaniną z wysokowytrzymałych włókien w tym włókien węglowych, w którym do metalowej ramki o grubości 0,5 mm, umieszczonej na dolnej płycie grzewczej prasy, nakłada się warstwę granulatu, w postaci granulatu poliamidu PA6 w ilości 24 g, który wcześniej suszy się przez 4 - 5 h w temperaturze 80°C - 100°C, następnie płyty grzewcze dolną i górną nagrzewa się do temperatury 220°C, a warstwę granulatu poddaje się uplastycznieniu przez 120 s, kolejno płyty grzewcze dolną i górną poddaje się naciskowi poprzez wywołanie ciśnienia w zakresie 10 - 20 bar przez 60 s, następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 50 bar przez 120 s, kolejno do 200 bar przez 120 s, uzyskując w efekcie warstwę poliamidu, a następnie proces powtarza się w celu wytworzenia drugiej warstwy poliamidu, następnie pomiędzy dwie warstwy poliamidu usytuowane w metalowych ramkach, wprowadza się warstwę tkaniny węglowej o gramaturze 160 g/m2 i splocie twill 2/2, a następnie warstwy poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C przez czas 120 s, kolejno dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do wartości 50 - 60 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar przez 120 s, uzyskując płytę laminatu (7) z włóknem węglowym, następnie proces powtarza się w celu uzyskania drugiej płyty laminatu z włóknem węglowym (7), następnie dwie otrzymane płyty laminatu z włóknem węglowym (7), umieszcza się w formie (8) o grubości 4 mm, naprzemiennie z trzema warstwami stopu aluminium 6061 (9) o grubości 0,5 mm i czterema warstwami adhezyjnymi (10) o grubości 40 µm, przy czym na zewnętrznej warstwie stopu aluminium 6061 (9), umieszcza się metalową płytę (11) o grubości 0,5 mm, kolejno tak skonfigurowany układ warstw (9-10-7-10-9-10-7-10-9) poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C, przez 120 s, a następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 50 - 60 bar, przez 120s, a następnie do 200 bar, przez 120 s.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem rozwiązania według wynalazku jest sposób wykonania kompozytowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych tkaniną z wysokowytrzymałych włókien w tym włókien węglowych, wykonanych poprzez łączenie w warunkach temperatury, ciśnienia i czasu uplastycznienia płyt polimerowych pomiędzy którymi umieszcza się tkaninę z włókien, sposób przeznaczony jest do zastosowania w inżynierii mechanicznej do prowadzenia badań właściwości mechanicznych.

Struktury kompozytowe mogą być wykonywane różnymi metodami w zależności od rodzaju kompozytu, zastosowanych materiałów bazowych, ich konfiguracji, czy też zakładanej końcowej postaci obiektu.

Jednym z nowych typów lekkich struktur kompozytowych są laminaty wykonywane z zastosowaniem stopów aluminium i polimerów termoplastycznych wzmacnianych włóknem. Mają one strukturę warstwową, w których warstwy stopu aluminium występują naprzemiennie z warstwami termoplastycznego polimeru wzmocnionego włóknem, np. włóknem węglowym. Zaletą tego typu rozwiązania względem tradycyjnych aluminiowo-polimerowych kompozytów warstwowych bazujących na polimerach, chemoutwardzalnych (np. laminaty typu GLARE) jest między innymi możliwość ich termoformowania, a więc wytwarzania elementów konstrukcyjnych z wykonanych wcześniej płyt kompozytowych. Zastosowanie tego typu kompozytów znajduje zastosowanie m.in. w budowie maszyn w konstrukcji lekkich struktur o wysokim stosunku wytrzymałości i sztywności do masy, w tym w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Zastosowanie warstw aluminium w strukturze kompozytu ułatwia zastosowanie większej liczby technik łączenia niż w przypadku kompozytów polimerowych, zwiększa także odporność na oddziaływanie zewnętrznych czynników na kompozyt pracujący często w bardzo zróżnicowanych warunkach środowiskowych. Korzyści przemawiające za wytwarzaniem tego typu laminatów z udziałem tworzyw termoplastycznych, w miejsce tworzyw termoutwardzalnych, to m.in. krótsze czasy wytwarzania, możliwość recyklingu, termoformowalność, spawalność i większa udarność.

Opisane w literaturze główne metody wykonywania tego typu struktur kompozytowych to metoda infuzji próżniowej oraz metoda formowania tłocznego. Ograniczeniem metody infuzji próżniowej jest wysoki koszt oprzyrządowania potrzebnego do wytworzenia tego typu materiałów oraz wysokie temperatury przetwarzania. Natomiast utrudnieniem wynikającym z formowania tłocznego jest to, że do wykonania wypraski o zróżnicowanych gabarytach wymagane jest posiadanie wielu form - głowica wytłaczarska dyktuje wymiary wyprasek. Również w tym przypadku ograniczeniem jest wysoki koszt oprzyrządowania.

Takie sposoby wytwarzania kompozytu znacznie utrudniają wykonywanie próbnych płyt w skali laboratoryjnej, niezbędnych do prowadzenia badań związanych z analizą ich właściwości.

Celem rozwiązania według wynalazku jest sposób wykonywania kompozytowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych włóknem.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest sposób wykonywania kompozytowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych włóknem, w tym tkaniną węglową, polegający na tym, że w pierwszej kolejności na prasie z podgrzewanymi płytami roboczymi wykonywane są warstwy polimerowe z zastosowaniem metalowych ramek o określonej grubości, do wnętrza których wprowadza się odmierzoną warstwę granulatu polimerowego, który następnie uplastycznia się pod wpływem temperatury i formuje do postaci płyty o grubości i wymiarach określonych wymiarami metalowej ramki, a następnie podaje się procesowi prasowania, poprzez wywołanie nacisku prasy w warunkach zadanych ciśnienia i temperatury.

Po zakończeniu procesu prasowania płyty pozostawia się we wnętrzu metalowej ramki, a pomiędzy dwie ramki z płytami polimerowymi wprowadza się warstwę tkaniny, korzystnie z włókien węglowych, a następnie warstwy poddaje się procesowi prasowania, poprzez wywołanie nacisku prasy w zadanych warunkach temperatury i ciśnienia, w wyniku czego wytworzona zostaje warstwa polimeru wzmocnionego włóknem.

W kolejnym kroku do wnętrza metalowej formy w postaci ramki o grubości większej od grubości końcowej płyty laminatu, wprowadza się naprzemiennie warstwy: warstwę aluminium i wytworzonego uprzednio polimeru wzmocnionego włóknem, zaś pomiędzy warstwy aluminium i polimeru wprowadza się polimerowe warstwy adhezyjne, uzyskując wielowarstwowy laminat, przy czym na ostatnią warstwę laminatu nakłada się metalową płytę o grubości równej różnicy grubości formy i końcowej grubości wytwarzanego laminatu. Następnie laminat poddaje się prasowaniu w określonych warunkach ciśnienia i temperatury oraz czasu prasowania.

Zalety sposobu według wynalazku.

Sposób wytwarzania płyt z termoplastycznego kompozytu aluminiowo-polimerowego wzmacnianego tkaniną z wysokowytrzymałych włókien według wynalazku jest nieskomplikowany i tani w realizacji, umożliwiając wytwarzanie wielowarstwowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych włóknem o dużej wytrzymałości.

Sposób umożliwia wykonywanie płyt w warunkach laboratoryjnych przy kontrolowanych wartościach parametrów technologicznych (wilgotności, temperatury, ciśnienia, czasu prasowania), dla zróżnicowanej grubości i liczby warstw laminatu, z użyciem różnych gatunków stopów aluminium, różnych typów polimerów termoplastycznych, różnych tkanin z włókien o zróżnicowanej konfiguracji i różnych materiałów adhezyjnych. Ponadto możliwe jest wykonywanie płyt o różnych wymiarach.

Sposób według wynalazku przedstawiono bliżej na załączonym materiale ilustracyjnym, w przykładzie realizacji wytwarzania kompozytu aluminiowo-polimerowego wzmocnionego włóknem węglowym o łącznej grubości 3,5 mm w poszczególnych jego fazach:

Fig. 1 przedstawia dwie płyty grzewcze 2 i 4 prasy z metalową ramką 1 usytuowaną na dolnej płycie 2, w której umieszczony jest granulat poliamidu,

Fig. 2 przedstawia dwie płyty grzewcze 2 i 4 z umieszonymi pomiędzy nimi dwiema warstwami poliamidu 5 usytuowanymi w metalowych ramkach (1), pomiędzy którymi usytuowana jest warstwa tkaniny węglowej 6,

Fig. 3 przedstawia dwie płyty grzewcze 2 i 4 pomiędzy którymi umieszczono metalową formę 8, wewnątrz której usytuowany jest naprzemiennie układ, trzech warstw 9 stopu aluminium, 4 warstw adhezyjnych 10, dwóch warstw poliamidu z włóknem węglowym 7, oraz metalową płytą dociskową 11 nałożoną na zewnętrzną warstwę 9 stopu aluminium,

Fig. 4 przedstawia wycinek płyty kompozytowej w powiększeniu, przedstawiającej układ poszczególnych warstw.

Sposób wykonywania kompozytowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych włóknem według wynalazku, przebiega następująco: do metalowej ramki 1 o grubości 0,5 mm, umieszczonej na dolnej płycie grzewczej 2 prasy, nakłada się warstwę granulatu 3, w postaci granulatu poliamidu PA6 w ilości 24 g, który wcześniej suszy się przez 4-5 h w temperaturze 80-100°C, następnie płyty grzewcze dolną 2 i górną 4 nagrzewa się do temperatury 220°C, a warstwę granulatu 3 poddaje się uplastycznieniu przez 120 s, kolejno płyty grzewcze dolną 2 i górną 4 poddaje się naciskowi poprzez wywołanie ciśnienia w zakresie 10-20 bar przez 60 s, a następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 50 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar przez 120 s, uzyskując w efekcie warstwę poliamidu 5, a następnie proces powtarza się do wytworzenia drugiej warstwy poliamidu 5, następnie pomiędzy dwie warstwy poliamidu 5 usytuowane w metalowych ramkach 1 wprowadza się warstwę tkaniny węglowej 6 o gramaturze 160 g/m² i splocie twill 2/2, a następnie warstwy łącznie poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C przez czas 120 s, kolejno dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do wartości 50-60 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar - przez 120 s, uzyskując płytę laminatu 7 z włóknem węglowym, następnie proces powtarza się do uzyskania drugiej płyty laminatu z włóknem węglowym 7, następnie dwie otrzymane płyty laminatu z włóknem węglowym 7 umieszcza się w formie 8 o grubości 4 mm, naprzemiennie z trzema warstwami 9 stopu aluminium 6061 o grubości 0,5 mm i czterema warstwami adhezyjnymi 10 o grubości 40 gm, przy czym na zewnętrznej warstwie 9 stopu aluminium 6061 umieszcza się metalową płytę 11 o grubości 0,5 mm, kolejno tak skonfigurowany układ warstw 9-10-7-10-9-10-7-10-9 poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C przez 120 s, a następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 50-60 bar przez 120 s, a następnie 200 bar przez 120 s.

Sposób według wynalazku przedstawiono bliżej w przykładach realizacji .

Przykład 1.

Sposób wykonywania kompozytowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych włóknem według wynalazku przebiega następująco: do metalowej ramki 1 o grubości 0,5 mm, umieszczonej na dolnej płycie grzewczej 2 prasy, nakłada się warstwę granulatu 3, w postaci granulatu poliamidu PA6 w ilości 24 g, który wcześniej suszy się przez 4 h w temperaturze 80°C, następnie płyty grzewcze dolną 2 i górną 4 nagrzewa się do temperatury 220°C, a warstwę granulatu 3 poddaje się uplastycznieniu przez 120 s, kolejno płyty grzewcze dolną 2 i górną 4 poddaje się naciskowi poprzez wywołanie ciśnienia w zakresie 10 bar przez 60 s, a następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 50 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar przez 120 s, uzyskując w efekcie warstwę poliamidu 5, a następnie proces powtarza się do wytworzenia drugiej warstwy poliamidu 5, następnie pomiędzy dwie warstwy poliamidu 5 usytuowane w metalowych ramkach 1 wprowadza się warstwę tkaniny węglowej 6 o gramaturze 160 g/m² i splocie twill 2/2, a następnie warstwy łącznie poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C przez czas 120 s, kolejno dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do wartości 50 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar - przez 120 s, uzyskując płytę laminatu 7 z włóknem węglowym, następnie proces powtarza się do uzyskania drugiej płyty laminatu z włóknem węglowym 7, następnie dwie otrzymane płyty laminatu z włóknem węglowym 7 umieszcza się w formie 8 o grubości 4 mm, naprzemiennie z trzema warstwami 9 stopu aluminium 6061 o grubości 0,5 mm i czterema warstwami adhezyjnymi 10 o grubości 40 pm, przy czym na zewnętrznej warstwie 9 stopu aluminium 6061 umieszcza się metalową płytę 11 o grubości 0,5 mm, kolejno tak skonfigurowany układ warstw 9-10-7-10-9-10-7-10-9 poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C przez 120 s, a następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 50 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar przez 120 s.

Przykład 2.

Sposób wykonywania kompozytowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych włóknem według wynalazku przebiega następująco: do metalowej ramki 1 o grubości 0,5 mm, umieszczonej na dolnej płycie grzewczej 2 prasy, nakłada się warstwę granulatu 3, w postaci granulatu poliamidu PA6 w ilości 24 g, który wcześniej suszy się przez 5 h w temperaturze 100°C, następnie płyty grzewcze dolną 2 i górną 4 nagrzewa się do temperatury 220°C, a warstwę granulatu 3 poddaje się uplastycznieniu przez 120 s, kolejno płyty grzewcze dolną 2 i górną 4 poddaje się naciskowi poprzez wywołanie ciśnienia w zakresie 20 bar przez 60 s, a następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 50 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar przez 120 s, uzyskując w efekcie warstwę poliamidu 5, a następnie proces powtarza się do wytworzenia drugiej warstwy poliamidu 5, następnie pomiędzy dwie warstwy poliamidu 5 usytuowane w metalowych ramkach 1 wprowadza się warstwę tkaniny węglowej 6 o gramaturze 160 g/m² i splocie twill 2/2, a następnie warstwy łącznie poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C przez czas 120 s, kolejno dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do wartości 60 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar - przez 120 s, uzyskując płytę laminatu 7 z włóknem węglowym, następnie proces powtarza się do uzyskania drugiej płyty laminatu z włóknem węglowym 7, następnie dwie otrzymane płyty laminatu z włóknem węglowym 7 umieszcza się w formie 8 o grubości 4 mm, naprzemiennie z trzema warstwami 9 stopu aluminium 6061 o grubości 0,5 mm i czterema warstwami adhezyjnymi 10 o grubości 40 pm, przy czym na zewnętrznej warstwie 9 stopu aluminium 6061 umieszcza się metalową płytę 11 o grubości 0,5 mm, kolejno tak skonfigurowany układ warstw 9-10-7-10-9-10-7-10-9 poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C przez 120 s, a następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 60 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar przez 120 s.

Claims

1. Sposób wykonywania kompozytowych płyt aluminiowo-polimerowych wzmacnianych włóknem, zwłaszcza próbnych płyt do badań właściwości mechanicznych, znamienny tym, że do metalowej ramki (1) o grubości 0,5 mm, umieszczonej na dolnej płycie grzewczej (2) prasy, nakłada się warstwę granulatu (3), w postaci granulatu poliamidu PA6 w ilości 24 g, który wcześniej suszy się przez 4-5 h w temperaturze 80-100°C, następnie płyty grzewcze dolną (2) i górną (4) nagrzewa się do temperatury 220°C, a warstwę granulatu (3) poddaje się uplastycznieniu przez 120 s, kolejno płyty grzewcze dolną (2) i górną (4) poddaje się naciskowi poprzez wywołanie ciśnienia w zakresie 10-20 bar przez 60 s, następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 50 bar przez 120 s, kolejno do 200 bar przez 120 s, uzyskując w efekcie warstwę poliamidu (5), a następnie proces powtarza się do wytworzenia drugiej warstwy poliamidu (5), następnie pomiędzy dwie warstwy poliamidu (5) usytuowane w metalowych ramkach (1) wprowadza się warstwę tkaniny węglowej (6) o gramaturze 160 g/m²i splocie twill 2/2, a następnie warstwy poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C przez czas 120 s, kolejno dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do wartości 50-60 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar przez 120 s, uzyskując płytę laminatu (7) z włóknem węglowym, następnie proces powtarza się do uzyskania drugiej płyty laminatu z włóknem węglowym (7), następnie dwie otrzymane płyty laminatu z włóknem węglowym (7) umieszcza się w formie (8) o grubości 4 mm, naprzemiennie z trzema warstwami (9) stopu aluminium 6061 o grubości 0,5 mm i czterema warstwami adhezyjnymi (10) o grubości 40 pm, przy czym na

PL 248395 Β1 zewnętrznej warstwie (9) stopu aluminium 6061 umieszcza się metalową płytę (11) o grubości 0,5 mm, kolejno tak skonfigurowany układ warstw (9-10-7-10-9-10-7-10-9) poddaje się uplastycznieniu w temperaturze 240°C przez 120 s, a następnie dwuetapowo zwiększa się ciśnienie, najpierw do 50-60 bar przez 120 s, a następnie do 200 bar przez 120 s.