Como o reboque se espalha?

Quando o artigo de destaque “The spread of spread tow” foi publicado, esta Side Story era muito diferente, falando principalmente sobre o quanto não sabemos sobre como o reboque é espalhado. E então encontrei um artigo no boletim informativo AZL NewsLIGHT # 7:ITA intitulado “ Novo processo de espalhamento ultrassônico para processamento de reboque de reforço ”. Acontece que o Instituto de Tecnologia Têxtil (ITA) da RWTH Aachen University (Aachen, Alemanha) estuda os métodos de espalhamento de estopa desde 2011. “Começamos a testar todos os vários métodos para espalhar estopa em fita e fizemos muitas pesquisas sobre os fatores que influenciam cada um e como otimizá-los ”, diz Wilko Happach, chefe do grupo de pesquisa Tapes da Divisão de Compósitos do ITA. Como resultado, a ITA desenvolveu uma nova tecnologia que permite a produção em alta velocidade - até 100 m / min - de fita de reboque espalhada com muito menos variação na largura graças ao controle integrado. A ITA chama essa tecnologia de AutoTow .

Compreendendo as técnicas de propagação de reboque

O ITA iniciou suas pesquisas em busca de fitas. “Tínhamos visto que os tecidos não frisados ​​produziam um desperdício significativo de corte e também não permitiam designs otimizados”, lembra Happach. “Como as fibras não são todas aplicadas na direção das cargas, a fibra é perdida.” Assim, sua equipe começou a olhar para colocação de fita automatizada , mas havia falta de fornecimento de fita e de conhecimento na época, diz Happach. “Por isso, fizemos as nossas, optando por desenvolver fitas de fibra seca e encadernadas primeiro." Para fazer isso, no entanto, eles primeiro tiveram que entender a propagação.

Happach descreve três métodos básicos para espalhar roving em fitas mais largas e finas:

1. Puxar as fibras sobre as barras espaçadoras usando alta tensão.
2. Propagação de ar usando um bico de fenda.
3. Aplicação de ultrassom ou outra vibração às fibras.

Difusão de tecnologias e parâmetros de processo

Difusão ultrassônica

• Número de barras de espalhamento (3-5)
• Ângulo de envolvimento em torno das barras (90-180 °)
• Temperatura da barra
  (22-150 ° C)
• Superfície da barra (polida, revestida com TopoCrom ou Bechem)
• Pré-tensão móvel (até 2.000 centiNewton)

• Pressão do ar
  (0-6 bar)
• Ângulo do fluxo de ar (0-180 °)

• Número de barras de espalhamento ativas (3-5)
• Ângulo de envolvimento em torno das barras (1-120 °)
• Frequência ultrassônica (30 kHz)
• Intensidade de amplitude
  (50-100%)
• Pré-tensão móvel (até 2.000 centiNewton)

FONTE:ITA Tape Center, RWTH Aachen University.

Barras espalhadoras parece ser a técnica mais antiga e básica, usada em uma patente de 2001 registrada pelo produtor de fibra de carbono Zoltek. Happach observa que o fornecedor de equipamentos Karl Mayer também confiou em barras separadoras em suas fitas e máquinas de estopa de tecido. “O problema com esse método é que ele limita a velocidade de produção a 25 m / min”, diz ele. “Se você tentar ir mais alto, o atrito é muito alto e danifica os filamentos da mecha. O espalhamento da barra também é limitado na largura máxima de espalhamento. Você pode espalhar a mecha até 3 vezes sua largura inicial. ”

Propagação de ar , diz Happach, é usado quando a largura máxima de distribuição é desejada para um peso de área menor. “O fluxo de ar separa os filamentos e permite espalhar até 6 a 7 vezes a largura inicial da mecha com muito menos danos aos filamentos por causa do atrito”, explica. “Não há como puxar a fibra sobre as barras em alta tensão.”

No entanto, há uma limitação dependendo do tamanho aplicado ao vidro ou à fibra de carbono. Happach explica, “Fibras dimensionadas para resinas epóxi e outras resinas termofixas podem ser pegajosas, de modo que o processo de espalhamento de ar não pode separar os filamentos facilmente.” Nesse caso, um pré-processo pode ser necessário para quebrar um pouco o tamanho. No entanto, o tamanho compatível com as resinas de matriz termoplástica, que também é termoplástica, não é pegajoso e age quase como uma fibra não dimensionada. Em outras palavras, não há adesão interfilamentar. “Portanto, isso é fácil de espalhar, mas difícil de lidar porque tende a se desfazer”, observa Happach.

Propagação ultrassônica usa o mesmo princípio básico das barras espaçadoras, mas com sonotrodos em forma de meio cilindro, que, observa Happach, “transmitem uma grande quantidade de energia. A mecha envolve os sonotrodos e, ao aplicar ultrassom, os filamentos vibram e se acomodam na superfície, espalhando-se ”. Esta técnica pode produzir taxas de espalhamento mais altas (isto é, estopa de fibra maior espalhada em fitas muito finas e largas), mas não pode ser usada com fibra de vidro ou fibra de carbono à base de piche porque elas são muito frágeis e irão quebrar.

“Você também pode usar vibração de frequência mais baixa induzida mecanicamente”, diz Happach, “e o calor pode ser usado para amolecer o tamanho da fibra, permitindo que os filamentos se movam mais prontamente”.

AutoTow

A ITA desenvolveu o AutoTow para superar os problemas com esses métodos básicos de espalhamento. Happach observa que o Tape Center funciona principalmente com reboque de 24K, 50K e 60K (que ele nota ser da Mitsubishi) porque os efeitos de propagação são maiores. “Podemos alcançar velocidades de produção mais altas de até 100 m / min porque podemos girar as barras espaçadoras individuais a até 80 m / min ," ele explica. “Assim, a velocidade relativa é de 20 m / min, o que é bom para espalhar sem danos ao filamento.”

Happach aponta que, como a movimentação / reboque de entrada tem variações , a largura do reboque de propagação de saída também varia. “Com as fitas pré-impregnadas, os fornecedores simplesmente cortam as bordas. Mas começamos com fita adesiva seca, que tem muito menos resina, por isso é muito difícil de cortar. ” A equipe da Happach percebeu que precisava de um meio melhor para controlar a largura de distribuição.

“Usamos câmeras para medir a largura que entra e sai do spreader ”, explica. “Um algoritmo usa esta medida de largura, a velocidade do processo e certos fatores conhecidos sobre cada material para calcular e controlar a velocidade de cada uma das 5 barras rotativas para ajustar continuamente a largura da fita. Podemos reduzir a variação para menos de 1 milímetro . ”

Controle de largura integrado AutoTow usando medição de câmera para reduzir a variação de largura para menos de 1 mm. FONTE:ITA Tape Center, RWTH Aachen University.

“Também podemos ajustar o ângulo de embalagem da movimentação em torno de cada barra de espalhamento ”, continua Happach,“ mas não em tempo real ”. Portanto, é mais como uma calibração para cada execução de produção. “Todo o resto é feito in-line , ”Ele afirma. “Se você quiser ir de 25 mm a 30 mm na largura do reboque, basta inserir esse número e em alguns segundos vai mudar durante a produção , e em alta velocidade, mesmo 100 m / min. ”

Desenvolvimento futuro

O objetivo do ITA Tape Center é ter a cadeia completa de processos de fita a fim de apoiar o desenvolvimento da indústria. “Nosso objetivo é atrair parceiros da indústria para desenvolver novas soluções para eles”, explica Happach. “Estamos no processo de construção de uma linha de produção de fita e linha de produção de peças tb. Queremos ter todas as operações:dimensionamento, espalhamento, produção de fita, colocação e cura automatizada de fita. ” Ele diz que a ITA nunca será fornecedora de máquinas ou fabricante de peças. “Queremos atingir a produção de peças leves de folha fina porque vimos mais finas as camadas , quanto maiores as propriedades mecânicas . Agora que podemos produzir fitas adesivas secas em altas velocidades e um nível de alta qualidade, nosso objetivo é reduzir o peso da área e, em seguida, produzir termoplásticos e prepreg termofixo fitas. ”

O ITA Tape Center pesquisou várias tecnologias de aglutinante compatível com termoplásticos e termofixos. FONTE:ITA Tape Center

Assim como o ITA Tape Center definiu o espaço de produção para os processos de reboque e propagação e seus parâmetros, também desenvolveu um conhecimento significativo em torno do impacto do tamanho da fibra e fita fichário tecnologia. “Temos fornecedores que desejam testar receitas de tamanhos diferentes para ver o que é melhor para espalhar ”, diz Happach.

Para materiais ligantes, ele enfatiza que o fator mais importante é a compatibilidade com a resina da matriz. “Um aglutinante termofixo alcançará as propriedades mais altas para uma matriz termofixa.” Da mesma forma, para uma matriz termoplástica, o aglutinante deve ser termoplástico e pode ser aplicado usando pó, véu ou fusão a quente. Os dois últimos permitem uma aplicação muito rápida e dão alta estabilidade à fita, mas Happach observa o véu dará um conteúdo de aglutinante ligeiramente mais alto . Isso pode ou não ser desejado, dependendo do projeto da peça e das considerações do processo de fabricação. A pesquisa sobre os parâmetros do aglutinante e como eles afetam as peças finais continuará à medida que o ITA constrói sua cadeia de processo completa.