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Ímã assistida fabricação composta: Uma nova técnica flexível para alcançar a consolidação de alta pressão em vácuo processos de saco/Lay-Up

Published: May 17, 2018
doi:
10.3791/57254
, ,
1School of Aerospace and Mechanical Engineering,University of Oklahoma

Summary

Uma nova técnica de consolidação pressão sobre o assentamento saco de vácuo para fabricar laminados compósitos é descrita. O objetivo do presente protocolo é desenvolver uma técnica simples e econômica para melhorar a qualidade dos laminados fabricados pelo método de saco de vácuo molhado percebê-lo.

Abstract

Este trabalho demonstra um protocolo para melhorar a qualidade dos compostos laminados fabricados por processos de saco de vácuo molhado percebê-lo usando o composto assistida ímã recentemente desenvolvido técnica (MACM) de fabricação. Nesta técnica, os ímãs permanentes são utilizados para aplicar uma pressão suficientemente alta consolidação durante a fase de cura. Para aumentar a intensidade do campo magnético, e assim, para aumentar a pressão de compactação magnético, os ímãs são colocados em uma placa magnética superior. Em primeiro lugar, todo o procedimento de preparação do composto percebê-lo em um fundo magnético aço placa usando o processo de saco de vácuo convencionais percebê-lo molhado é descrito. Em segundo lugar, a colocação de um conjunto de ímãs permanentes de neodímio-ferro-boro, dispostas em alternância de polaridade, sobre o saco de vácuo é ilustrada. Em seguida, apresentam-se os procedimentos experimentais para medir as frações de volume e pressão de compactação magnética dos compostos constituintes. Finalmente, os métodos usados para caracterizar a microestrutura e propriedades mecânicas de laminados compósitos são discutidos em detalhe. Os resultados comprovam a eficácia do método MACM na melhoria da qualidade dos laminados de saco de vácuo molhado percebê-lo. Este método não requer grande investimento de capital para ferramental ou equipamento e também pode ser usado para consolidar peças geometricamente complexas compostas, colocando os ímãs em um molde superior correspondente, posicionado sobre o saco de vácuo.

Introduction

Compósitos de polímero reforçado com fibra têm sido amplamente utilizados na automotriz1,2, aeroespacial3,4, marinho5,6e construção de7,8 indústrias por causa de suas propriedades únicas, como alta resistência específica e módulo de elasticidade, comportamento favorável de fadiga e resistência à corrosão. Atualmente, alta qualidade laminados compostos predominantemente são fabricados usando camadas de tecido pré-impregnado (prepreg) curadas em autoclave sob elevada temperatura e pressão alta consolidação de 0,27-0,69 MPa (40-100 psi)9. Um pouco baixa qualidade laminados compósitos são produzidos pelo processo de percebê-lo molhado, onde uma maior pressão de consolidação não é aplicada. Este processo é trabalhoso, não requer equipamento caro e é realizado colocando uma camada de tecido seco sobre um molde e posteriormente aplicação de resina. Na maioria das aplicações, um rolo de mão é usado para forçar o reforço de fibra de resina e esprema o excesso de resina. Esta sequência é repetida até a espessura desejada é obtida. A qualidade dos laminados produzidos por percebê-lo molhado pode ser muito melhorada aplicando uma combinação de vácuo (chamado o processo de vácuo saco molhado percebê-lo) e uma pressão adicional de consolidação em uma autoclave durante a cura. Consolidação de alta pressão durante a cura facilita o fluxo de resina, levando a um aumento da fração de volume de fibra e uma remoção de vazios10,11 , que resulta em melhoria de propriedades mecânicas. Abraham et al . 12 mostrou que weave liso de alta qualidade E-vidro laminados compósitos com uma fracção de volume de fibra alta de cerca de 64% e a fração de baixo volume vazio de 1,6% podem ser fabricados usando o saco de vácuo molhado percebê-lo quando uma pressão de consolidação de 1,2 MPa é aplicado em uma autoclave.

Vazios são um dos defeitos mais comuns que são formados durante a fabricação de laminados compósitos. Vazios que variam de alguns mícrons a vários cem microns são formados principalmente devido o ar aprisionado durante o assentamento, dissolvido umidade na resina e expulsaram voláteis durante a cura de14,13,15. Também, a dinâmica da impregnação do reforço fibroso é encontrada para ter um efeito significativo na armadilha vazio16,17. É amplamente aceito que a presença de espaços vazios em um composto laminado pode levar a uma redução substancial da força13,18,19, módulo20,21, fratura resistência22e vida de fadiga23,24 de laminados. Por exemplo, Judd e Wright25 constatou que cada aumento de 1% no conteúdo vazio (até 4%), resulta em uma queda de aproximadamente 7% nas propriedades de cisalhamento do feixe curto. Além disso, Ghiorse26 encontrou que, em compostos de carbono/epóxi, para cada aumento de 1% no conteúdo vazio, uma redução de 10% em cisalhamento interlaminar e de resistência à flexão e uma redução de 5% no módulo de flexão podem ser vistos. Além disso, espaços vazios tem efeitos adversos na rachadura iniciação e propagação, bem como a absorção de umidade27,28. É sabido que a taxa de absorção de umidade para laminados com maior conteúdo vazio é maior, e a umidade absorvida pode causar a deterioração da interface de fibra-matriz e a longo prazo inferior propriedades mecânicas29, 30,31,32. Assim, para garantir a consistência das propriedades mecânicas e alcançar a mais alta qualidade de produtos compostos, o conteúdo vazio deve ser minimizado.

Embora um composto laminado em uma autoclave de cura produz peças fiáveis e de alta qualidade, o custo do produto seria alto devido ao investimento de capital inicial e uso excessivo de energia. Além do autoclave cura, uma grande variedade de técnicas tais como transferência de vácuo assistida resina do molde (VARTM) e Quickstep processo foram desenvolvidos e utilizados para fabricar o composto estratificações da autoclave32,33, 34 , 35 , 36. no entanto, devido à ausência de uma uniforme, de alta pressão, os laminados produzidos por esses métodos muitas vezes têm propriedades mecânicas inferiores em comparação com aqueles feitos em autoclaves37. Recentemente, uma técnica nova, conhecida como composto de assistida ímã fabricação (MACM) tem sido utilizado para melhorar a qualidade dos laminados compósitos de percebê-lo molhado saco de vácuo, aplicando uma pressão de consolidação gerada por um conjunto de alta potência permanente ímãs de38,39. A aplicação desta técnica foi então estendida para produzir laminados compósitos estruturais de alta qualidade, fora uma autoclave usando ímãs permanentes de alta temperatura40.

Neste trabalho, é apresentado um protocolo para a fabricação de laminados de composto de saco de vácuo molhado percebê-lo usando a técnica MACM. MACM, ímãs permanentes de neodímio-ferro-boro são utilizados para aplicar uma pressão suficientemente alta consolidação durante a cura e assim, melhorar a qualidade dos laminados. Em primeiro lugar, a preparação de 6-ply, weave liso E-vidro/epóxi composto, percebê-lo em um prato fundo de aço é descrita. Então, a disposição dos ímãs permanentes na polaridade alternada em uma placa de aço superior é demonstrada, junto com sua colocação sobre o saco de vácuo para aplicar uma pressão de consolidação no composto a percebê-lo. Finalmente, descrevem os passos para a medição da pressão de compactação magnético, bem como os métodos utilizados para a caracterização das frações de volume vazio e fibra, microestrutura e propriedades mecânicas dos compósitos laminados. A eficácia do processo de MACM é examinada pela fabricação de laminados de saco de vácuo de percebê-lo molhado feitos sob pressão magnética e comparando suas propriedades para aqueles fabricados pelo saco de vácuo convencionais percebê-lo molhado sem ímãs. Os resultados obtidos provam a capacidade do método MACM para melhorar a qualidade geral estratificada. Este método é uma maneira simples e de baixo custo de fabricação de laminados de alta qualidade e pode ser aplicado para fabricar componentes compostos grandes e geometricamente complexos com relativa facilidade.

Protocol

Atenção: Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança (MSDS) antes do uso. Use equipamento de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jaleco, calças completos e sapatos fechados). 1. materiais Corte 6 lonas de 20,3 cm х 15,2 cm, tecido de vidro weave liso com um cortador giratório tela.Nota: O tecido de tafetá pode ser substituído por outros tipos de tecido, incluindo tapetes de não-tecidos, aleatórios. Fibras de carbono também pode ser usadas neste método. Prepare o sistema de resina pela primeira pesagem da resina de cola epoxy, INF (40g), em um equilíbrio de tarada e em seguida, adicionando o endurecedor, INF (10,96 g), usando uma relação de peso de 100 para 27,4. Agitar a mistura de resina/endurecedor (em 37 rad s-1) até totalmente dispersão é atingida (por 5 min).Nota: (1) o tipo de resina pode ser substituído com qualquer tipo de resina adequada para processos de saco de vácuo molhado percebê-lo. (2) a seleção do rácio de resina-para-endurecedor epóxi é dependente da combinação de resina e endurecedor. (3) a seleção do peso da mistura de resina/endurecedor depende da fração de volume de fibra desejado da peça acabada e a quantidade de resíduos esperada como a quantidade de resina com hemorragia, permanecendo a resina na escova, etc. Tendo em conta o peso das 6-telas de tecido a ser cerca de 34 g, a resina a proporção de fibra de 60 a 40, em peso, foi escolhido. Desgaseifica a resina (aproximadamente 15 min) na armadilha da resina para remover todo o ar aprisionado formado durante a mistura da resina epóxi e endurecedor. 2. composto usando pressão magnética num saco de vácuo molhado percebê-lo processo de fabricação Nota: A Figura 1 mostra um esquema simplificado da preparação do composto lay-up e aplicando pressão magnética, que é descrita nas seções 2.1-2.15. Prepare todo o material necessário para o experimento: Coloque 25 N52 neodímio-ferro-boro (NdFeB) ímãs permanentes (2,54 cm comprimento, 2,54 cm de largura e 1,27 cm de espessura), magnetizados através de sua espessura, sobre uma placa de topo aço de 4,76 mm de espessura. Organize os ímãs em 5 × 5 configuração quadrada em alternância de polaridade. Durante o arranjo e colocação de ímãs permanentes, deve-se tomar cuidado como há um risco de lesão. Coloque um 0.3 mm de espessura epíplon placa de alumínio (20,3 х 15,2 cm2) pré-revestido com desmoldante PTFE exatamente no meio de uma película perfurada (26,7 х 21,6 cm2). Use 12,7 mm largo poliéster a fita do perímetro do redanho da placa para o filme de lançamento. Lugar uma fita larga brega de 12,7 mm em torno da periferia de uma área de2 43,2 × 27,9 cm na superfície de uma 6.35 mm de espessura, 61.0 × 61.0 cm2, placa de ferramenta de aço inferior. Antes da colocação do tecido, aplique uma camada de resina na placa de ferramenta, coberta por uma camada de película de fibra de vidro revestida com PTFE não porosas (76 µm de espessura). Aplique bastante resina para saturar a primeira dobra do tecido. Coloque a primeira camada de tecido e em seguida, com um rolo, pressione e esprema o excesso de resina. Sature completamente a cama de fibra derramando uma pequena quantidade de resina adicional no topo da tela e então, espalhando uniformemente sobre toda a área com rodos. Repita as etapas de 2.4 e 2.5 para todas as telas (6-ply neste caso). Certifique-se de que todas as telas são totalmente saturadas com resina e que aproximadamente a mesma quantidade de resina (~8.5 g) é usada para cada dobra. Coloque a placa de epíplon, anexada para a película perfurada, em cima da pré-forma de fibra, seguida por uma camada de fita de poliéster largura 0,5 polegadas em torno do perímetro do filme lançamento. Insira dois pedaços de pano de respiro/sangrador para a pré-forma de fibra e coloque a parte inferior da válvula vácuo fechamento de torção sobre o pano de respiro. Certifique-se de que a válvula está localizada longe da pré-forma saturada para proteger a válvula do contato com o excesso de resina. Retire a película protectora da fita brega e coloque o saco de vácuo sobre a chapa de ferramenta enquanto pressiona-lo firmemente contra a fita para selá-lo. Conecte um lado da mangueira do aspirador para a parte superior da válvula de vácuo e do outro lado do regulador de pressão, conectado à bomba de vácuo. Colocar uma pequena fenda no saco onde está a parte inferior da válvula, insira a parte superior da válvula de vácuo no orifício e em seguida torça delicadamente é fechada para que a bolsa sob não enrugar. Ligue a bomba de vácuo até atingir uma pressão de vácuo constante de 93 kPa (13,5 psi) para remover qualquer voláteis gerados durante a cura e o excesso de resina. Certifique-se de que o sistema de vácuo é escapamento livre. Fixe as quatro bordas da ferramenta da placa de base para uma base de apoio. A placa da ferramenta inferior deve ser fixada contra movimento antes da colocação de ímãs porque a força de atração magnética pode mover e mudar a placa para cima. Permitir que o laminado curar por 45 min à temperatura ambiente e, em seguida, coloque o conjunto de ímãs (preparado na seção 2.1.1) sobre o saco de vácuo, seguido pelo aumento da temperatura da placa da ferramenta a 60 ° C, a uma taxa de rampa de ~ 5 ° C/min.Nota: (1) o ciclo de cura é dependente da resina selecionada. (2) folhas de calor de borracha de silicone são colocadas sob a placa de ferramenta para o aquecimento. Após a cura para 8 h a 60 ° C, retire o saco de vácuo e demold composto laminado.Nota: Para avaliar a melhoria da qualidade dos laminados como resultado aplicando pressão magnética, nós fabricou uma série de laminados usando um processo de saco de vácuo convencionais percebê-lo molhado sem aplicar qualquer pressão externa. A qualidade destes laminados foi comparada com aqueles feitos sob pressão magnética. Saco de vácuo, passos 2.1.2 para 2.15 foram seguidos para fabricar laminados usando convencional percebê-lo molhado, exceto para a colocação de ímãs. Para avaliar a repetibilidade de cada processo de fabricação, uma segunda estratificação foi fabricada sob condições idênticas. 3. medição de pressão de compactação magnético Anexe a placa superior à extremidade da célula de carga em um instrumento para ensaios mecânico. Lugar um ímã de permanente N52 neodímio-ferro-boro na placa móvel inferior, que está posicionado a uma distância suficiente (pelo menos 25 mm) longe da parte superior fixa placa no início do teste.Nota: Para medição de força magnética, placas tanto a parte superior e inferior devem ser feitas de material magnético, tais como o aço. Mova a placa inferior para cima com uma velocidade baixa de 1-2 mm/min em direção a placa superior e gravar a força magnética gerada enquanto estiver medindo o deslocamento correspondente a partir do LVDT (LVDT) a uma taxa de amostragem de 6 Hz.Nota: (1) a velocidade deste teste é essencial porque a força gerada pelos ímãs exponencialmente depende a abertura de ar no meio. (2) todas as medições magnéticas são realizadas à temperatura ambiente. Continue a acompanhar a força de compactação magnético até a superfície superior do íman toca a placa superior. Calcule a pressão de compactação magnético dividindo a força magnética pela área transversal do íman. 4. resina Burn-off e análise térmica química (TGA) Queimadura de resina-fora Corte três exemplares de cada estratificação para uma resina queimar-se teste de acordo com as especificações de ASTM D2584-1141. Colocar cada amostra em um cadinho de porcelana separado e observe os pesos das amostras, bem como os cadinhos. Coloque os cadinhos contendo amostras num forno, a fornalha, elevar a temperatura da fornalha a 600 ° C e deixe a resina queimar-se por cerca de 4 h. Desligue o forno, cuidadosamente Abra a porta do forno e deixe-a esfriar a temperatura ambiente antes de remover os cadinhos. Após arrefecimento, remover os cadinhos da fornalha e pesar as fibras de vidro recuperado.Nota: As fibras podem perder peso durante a queimadura-fora de resina. A quantidade de perda de peso de fibras quando eles são expostos a altas temperaturas pode ser determinada pela análise térmica química (TGA). Análise térmica química (TGA) Medir a perda de peso de fibra em função do aumento da temperatura no ar à pressão atmosférica usando TGA. Coloque aproximadamente 30 mg da fibra em uma panela de platina e carregá-lo no dispositivo da TGA. Aumentar a temperatura de 25 ° C a 600 ° C, a uma taxa de 15 ° C/min, mantenha a temperatura para 4 h e calcular a redução percentual em peso. A porcentagem de perda de peso das fibras são contabilizados durante a fração de volume de fibra e cálculos de fração de volume vazio.Nota: De acordo com os resultados do teste TGA em 600 ° C, a perda de peso para weave liso e esteira aleatória pré-formas utilizadas neste estudo são 0,2% e 5.46%, respectivamente. 5. o vazio e cálculo de fração de Volume de fibra Determine a densidade da amostra composta, matriz e fibra: Use o método de suspensão42 para determinar a densidade da amostra composta em massa.Nota: Para este método, um líquido transparente e pesado com uma densidade de 2,49 g/cm3 é usado para que a amostra composta inicialmente flutua quando imerso no líquido pesado. Reduzir a densidade do líquido pesado adicionando-se 3 mL de água e misturar a solução pelo agitador magnético em 105 rad s-1 , 5 min. Repita este passo até que a amostra composta começa a suspender lentamente a mistura de água/líquido pesado. Uma vez que a densidade da solução foi ajustada para que a amostra permanece suspensa na mistura líquida e água pesada, medir a densidade da solução usando um copo de gravidade específica. Prepare a resina livre de vazio espécimes usando a mesma cura ciclo dada em etapas 2.14 e 2.15 e em seguida, determinar a densidade das amostras de resina curada usando o mesmo procedimento como 5.1.1.1 e 5.1.1.2.Nota: A densidade de curado INF e EPON espécimes são 1,152 ± 0,003 g/cm3 e 1.171 ± 0,003 g/cm3, respectivamente. Use um picnómetro de nitrogênio43 com uma Copa de 10 cm3 para obter a densidade da fibra.Nota: A densidade do weave liso e tecidos esteira aleatórios são 2,600 ± 0,003 g/cm3 e 2.470 ± 0,004 g/cm3, respectivamente. Calcule a fração de peso da fibra e resina de acordo com ASTM D2584-1141. Calcular a fração de volume vazio e fibra seguindo procedimentos de ASTM D3171-1544(1)(2)(3)onde é a fração de volume de resina, é a fração de volume de fibra, é a fração de volume vazio, é a densidade do composto, é a densidade da resina, é a densidade da fibra, é o amostra de peso, e é o peso da fibra.Nota: A incerteza para o índice de volume vazio é calculada para ser ±0.21. Este nível de precisão é suficiente para os compósitos laminados, mesmo quando o laminado tem um teor baixo-vazio de menos de 1%. 6. digitalização de imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) Corte dois 25,4 mm × 6,4 mm espécimes de cada estratificação e incorporá-los em um acrílico de cura rápida para a imagem latente SEM.Nota: As amostras são incorporadas tal que a superfície lateral (superfície através de–espessura) do laminado ao longo do comprimento da amostra 25,4 mm é exposto para a imagem latente. Use uma politriz para polir a superfície de amostras compostas incorporadas com tamanhos que variam de 30 a 0,04 µm do grão. Por pulverização catódica casaco aproximadamente 5 nm de ouro/paládio para a amostra preparada para fornecer uma camada condutora. Montar o espécime em um porta-amostras e colocá-lo na câmara do SEM. Definir o SEM imagem parâmetros como tensão de aceleração de 20 kV e a distância de trabalho de 25,5 mm. Capture imagens múltiplas de laminado em 35 X ou maior ampliação em vários locais.Nota: A ampliação selecionada permite a avaliação dos vazios sobre uma grande área transversal, bem como uma comparação visual da espessura do laminado. Medições precisas da espessura do laminado podem ser feitas usando estas imagens. 7. caracterização das propriedades de resistência à flexão Corte um conjunto de sete amostras de 12,7 mm largura de cada composto laminado para testes à flexão flexão de três pontos de acordo com ASTM D790-1546 usando uma serra de diamante-grão. Medir a largura e a espessura de cada amostra com um paquímetro. Use uma extensão para a relação de espessura de 24:1 e ajustar o período de suporte de fixação do teste flexão de três pontos. Lugar da amostra na fixação de teste flexural dobra do três-ponto montado no instrumento para ensaios mecânico. Realize o teste flexural à velocidade da cruzeta de 2 mm/min e registrar o comportamento de carga-deflexão do espécime. Repita os passos acima para todas as amostras confirmar e garantir a repetibilidade dos resultados. Uma vez terminado o experimento, calcule a resistência à flexão, bem como o módulo de flexão do espécimes39,40.

Representative Results

Para investigar o efeito do MACM sobre a qualidade dos laminados, foram considerados vários cenários que usam tipos de tecido diferentes e sistemas de resina. A tabela 1 informa que o processo de fabricação e compostos constituintes dos laminados compostos de 6-ply, E-vidro/epóxi fabricados por seis cenários diferentes de fabricação. Nos cenários de linha de base (W-PW-INF INF-RM-W e W-RM-EPON), os laminados são fabricados por saco de vácuo molhado percebê-lo sem pressão externa. Os outros três cenários (WM-PW-INF, WM-RM-INF e WM-RM-EPON) são usados para fabricar laminados de saco de vácuo molhado percebê-lo sob pressão de compactação magnético. A qualidade destes laminados é então comparada com aqueles feitos pelos cenários de linha de base. Nos primeiros e segundo cenários, W-PW-INF e WM-PW-INF, weave liso E-vidro/INF laminados são fabricados. Nos terceiros e quarto cenários, W-RM-INF e WM-RM-INF, o tecido de tafetá é substituído com esteira aleatória, e o mesmo sistema de resina (i.e., INF) é usado. No quinto e sexto cenários, W-RM-EPON e WM-RM-EPON, o tecido é aleatório E esteira-vidro, enquanto o sistema de resina é substituído com EPON, que tem uma viscosidade moderadamente maior 766.9 mPa s comparado com 296 s mPa para resina de INF. Uma análise mais detalhada dos últimos quatro cenários pode ser encontrada em Pishvar et al . 2017 e Amirkhosravi et al 201738,39. Figura 2a apresenta a pressão magnética gerada por NdFeB, ímã de3 N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm como uma função da distância entre o ímã e a placa de aço. Esta distância corresponde à espessura de percebê-lo durante a fabricação do laminado composto e assim pode ser usada para determinar a variação da pressão de compactação aplicada pelos ímãs. O baixo-relevo na Figura 2a mostra uma fotografia da montagem experimental utilizada para medir a variação da pressão magnética em função da distância. Conforme explicado na seção 3 do protocolo, o set-up consiste em duas chapas de aço paralelas (12,5 cm x 12,5 cm × 1.8 cm). A placa superior está ligada a uma 4,45 kN (1000 lb)-célula de carga. A placa inferior é montada sobre a cruzeta de um instrumento para ensaios mecânico. Usando esta configuração, a força de atração do ímã permanente colocado sobre a placa inferior é medida em função da lacuna (ou seja, a distância entre o ímã e a placa de aço superior). A linha tracejada na Figura 2a representa a pressão medida magnética (força sobre a área do ímã) através do instrumento de teste mecânico, e a linha sólida representa a pressão determinada a partir dos dados fornecidos pelo fornecedor dos ímãs. Há geralmente boa concordância entre a pressão medida e os valores obtidos a partir da folha de dados técnicos fornecida pelo fornecedor. Vê-se que o aumento da pressão magnética depende exponencialmente a redução da lacuna. Portanto, como o laminado consolida durante o processo de cura, a espessura do assentamento diminui gradualmente, e por conseguinte, aumenta a pressão exercida pelo ímã. Figura 2b mostra os mesmos dados experimentais apresentados na Figura 2a , mas para o intervalo de abertura (ou seja, espessura de percebê-lo) de 1-4.5 mm. Além disso, a pressão magnética inicial e final aplicado durante a cura de laminados composto de tipos de tecido diferentes (ou seja, weave liso e esteira aleatória) e sistemas de resina (i.e., INF e EPON) são exibidos na Figura 2b. A espessura de assentamento dos laminados weave liso/INF (WM-PW-INF) durante a consolidação diminui de 1,5 mm e 1,4 mm devido à saída de resina e cura. Nesse sentido, a pressão magnética aumenta ligeiramente de 0,38 a 0,39 MPa. A espessura de assentamento de esteira/INF aleatório laminados alterações (WM-RM-INF) de 2,8 mm a 1,7 mm, e, como resultado, a pressão magnética aumenta significativamente de 0,27 a 0.36 MPa. A espessura de assentamento de laminados feitos com esteira/EPON aleatório (WM-RM-EPON) diminui de 3,7 mm a 2,5 mm, e assim, a pressão gerada sobe moderadamente de 0,22 a 0,29 MPa. A tabela 2 apresenta a espessura média, fração de volume de fibra e fração de volume vazio de laminados fabricados com e sem pressão magnética de consolidação. Conforme mostrado na tabela 2, utilizando a pressão magnética compactação substancialmente reduz a espessura média de laminados, 12-47%. Como esperado, a diminuição da espessura do laminado é fortemente correlacionada com o aumento da fração de volume de fibra dos laminados, onde a fração de volume de fibra de laminados aumenta significativamente por 13-98% devido a pressão magnética. Entre todos os cenários, o efeito de aplicar pressão magnética em estratificações aleatório esteira/INF é mais pronunciado (ou seja, 98% aumento da fração de volume de fibra) por causa de dois fatores: (1) uma fracção de volume inicial da fibra significativamente menor de base laminados de esteira aleatórios comparado com laminados weave liso e (2) o uso da resina de baixa viscosidade 296 s mPa, permitindo a fácil remoção do excesso de resina. É também notável que aplicar pressão magnética tem uma vantagem adicional na diminuição da fração de volume vazio dos laminados de 3.4-5,8% para 1.5-2,7%. Assim, a pressão magnética drives não só o excesso de resina, mas também os vazios fora do laminado. A Figura 3 exibe as imagens SEM do E-vidro/epóxi laminados fabricados sob 6 diferentes cenários na ampliação de X 35. Para fácil comparação visual, as imagens de laminados feitos sem uma pressão externa são mostradas à esquerda e os laminados feitos sob compactação magnética são apresentados no lado direito. Estas imagens, é evidente que utilizando a pressão magnética de compactação resulta em muito melhor consolidação entre as dobras e, consequentemente, leva a uma redução significativa na área rica em resina. Como resultado, a espessura do laminado é notavelmente reduzida e a fração de volume de fibra é aumentada, especialmente em laminados feitos de tecido esteira aleatório e resina INF (WM-RM-INF). Estas imagens mostram também que a morfologia dos espaços vazios é bem diferente em laminados feitos com e sem pressão externa. Aplicando pressão magnética reduz o número de espaços vazios e faz com que os vazios menores, levando a uma menor fração de volume vazio em laminados. Finalmente, leva a compactar os vazios que estão localizados entre as camadas mais alongada vazios. Tabela 3 mostra a resistência à flexão e módulo de todas as estratificações e o percentual de aumento nas propriedades flexurais de laminados feitos sob pressão magnética de consolidação. Os resultados mostram claramente que a resistência à flexão e módulo de elasticidade dos laminados são significativamente melhoradas utilizando a pressão magnética. Um aumento de 98% na fração de volume de fibra dos laminados a esteira/INF aleatório (WM-RM-INF), enquanto tendo um teor mínimo de vazio de 1,46%, causas um 62% e 67% aumento da resistência à flexão e módulo de laminados, respectivamente. Como eu esperava, o weave liso/INF laminado (WM-PW-INF) que inicialmente exibiu a melhoria menor de 13% na fração de volume de fibra, mostrou o aumento menor, 7% e 22%, na resistência à flexão e módulo de elasticidade, respectivamente. Consequentemente, a melhoria nas propriedades de resistência à flexão de uma variedade de laminados compósitos feitos sob pressão magnética consolidação prova a capacidade do MACM para melhorar a qualidade geral estratificada. Fabricaçãocenário Tipo da tela Sistema de resina Processo de fabricação W-PW-INF Weave liso E-vidro INF Saco de vácuo convencionais percebê-lo molhado, sem o uso de pressão externa WM-PW-INF Weave liso E-vidro INF Saco de vácuo molhado percebê-lo com o uso de pressão magnética consolidação W-RM-INF Esteira aleatória E-vidro INF Saco de vácuo convencionais percebê-lo molhado, sem o uso de pressão externa WM-RM-INF Esteira aleatória E-vidro INF Saco de vácuo molhado percebê-lo com o uso de pressão magnética consolidação W-RM-EPON Esteira aleatória E-vidro EPON Saco de vácuo convencionais percebê-lo molhado, sem o uso de pressão externa WM-RM-EPON Esteira aleatória E-vidro EPON Saco de vácuo molhado percebê-lo com o uso de pressão magnética consolidação Tabela 1: Detalhes dos constituintes e fabricação seis cenários utilizados na fabricação de laminados compósitos 6 dobras. Cenário de fabricação Espessura média (mm) Fração de volume de fibra (%) Aumento da fração de volume de fibra (%) Fração de volume vazio (%) Redução na fração de volume vazio (%) W-PW-INF 0.98 ± 0,01 45.65 ± 0,82 ― 3,44 ± 0,46 ― WM-PW-INF 0,86 ± 0,01 51.63 ± 0.87 13 1,74 ± 0,39 49 W-RM-INF29 2.28 ± 0,04 24.84 ± 1,14 ― 5.09 ± 0,69 ― WM-RM-INF29 1.21 ± 0,01 49.10 ± 0.87 98 1,46 ± 0,24 71 W-RM-EPON30 3.18 ± 0,01 17.34 ± 0,84 ― 5.81 ± 1,24 ― WM-RM-EPON30 1.99 ± 0,03 26.88 ± 1,99 55 2.71 ± 0,36 53 Tabela 2: espessura média, fração de volume de fibra e fração de volume vazio de 6 dobras laminados fabricados por seis cenários diferentes. O aumento de percentagem de fibra volume fração e porcentagem redução na fração de volume vazio devido à compactação magnética (n = 6 para a fração de volume de fibra e fração de volume vazio e n = 35 para estratificação média espessura; intervalos de confiança de 95% para todos os dados) são também dada. Cenário de fabricação Resistência à flexão (MPa) Aumento da resistência à flexão (%) Módulo de flexão (GPa) Aumento no módulo de flexão (%) W-PW-INF 638.9 ± 27,0 ― 24.1 ± 0,5 ― WM-PW-INF 681.1 ± 35,5 7 29,5 ± 0,9 22 W-RM-INF29 218.9 ± 11,4 ― 8,4 ± 0,3 ― WM-RM-INF29 354.6 ±15.5 62 14,0 ± 0,8 67 W-RM-EPON30 158.1 ± 8,9 ― 6,8 ± 0.1 ― WM-RM-EPON30 253.5 ± 20,1 60 9,9 ± 0,6 46 Tabela 3: Resistência à flexão e módulo de elasticidade de laminados compósitos e a percentagem aumentam nas propriedades flexurais devido à compactação magnética (n = 7 para os laminados feitos pelo EPON e n = 14 o resto; intervalos de confiança de 95% para todos os dados). Figura 1: um esquema simplificado da preparação do composto lay-up e aplicação de pressão magnética, conforme descrito na seção de protocolo. Para este fim, vinte e cinco de NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 ímãs permanentes são ultilizados para aplicar pressão de consolidação sobre o composto percebê-lo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2: (a) Variação de pressão magnética gerado pelo NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1,27 ímã de3 cm em função do gap (i.e., espessura de percebê-lo). A inserção mostra uma fotografia da montagem experimental utilizada para medir a pressão magnética. (b) a inicial e final pressão magnética aplicada durante o endurecimento do weave liso/INF (WM-PW-INF), mat/INF(WM-RM-INF) aleatórios e aleatórias estratificações de esteira/EPON (WM-RM-EPON). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3: imagens SEM os laminados compostos de 6 dobras E-vidro/epóxi fabricados usando um processo de saco de vácuo de percebê-lo molhado com e sem o uso de pressão magnética. (a) W-PW-INF (weave liso/INF laminado, sem pressão externa), (b) WM-PW-INF (weave liso/INF laminado, com pressão magnética), (c) W-RM-INF (laminado de esteira/INF aleatório, sem pressão externa), (d) WM-RM-INF ( estratificação aleatória esteira/INF, com pressão magnética), (e) W-RM-EPON (aleatório esteira/EPON laminado, sem pressão externa) e (f) WM-RM-EPON (aleatório estratificado de esteira/EPON, com pressão magnética). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A aplicação de uma pressão alta consolidação durante a cura de um laminado composto é particularmente importante para a fabricação de uma parte composta de alta qualidade,47. Se a pressão externa não é aplicada e o laminado é curado apenas sob vácuo, a parte final conterá geralmente alto teor vazio, possivelmente superior a 5%, em volume e de regiões ricas de resina indesejáveis48. Alto conteúdo vazio, fração de volume de baixa fibra e resina zonas ricas são fatores adversamente afetar as propriedades mecânicas dos compósitos laminados. Neste trabalho, um protocolo experimental para consolidação de alta pressão durante a cura de um laminado no processo molhado do assentamento saco de vácuo é descrito29. Nesta técnica, em primeiro lugar, o assentamento composto é preparado num prato de ferramenta de fundo magnético de acordo com o processo de saco de vácuo convencionais percebê-lo molhado. Em seguida, um conjunto de ímãs permanentes, conectado a uma placa de aço magnética superior, é colocado no saco de vácuo. Neste estudo, os ímãs são aplicados ao aumentar a temperatura de percebê-lo a 60 ° C, onde a viscosidade da resina diminui significativamente. Aplicando pressão em um horário diferente, como o ponto de gelificação, podem rendimento laminados com propriedades diferentes de40,13,49. O nível de pressão magnética aplicada depende o fosso entre os ímãs e placa magnética inferior. Assim, apresentamos um procedimento para medir a pressão magnética gerado por um ímã em função do gap (i.e., espessura de percebê-lo).

Para determinar a eficácia de MACM, molhado, assentamento saco de vácuo laminados com diferentes materiais constituintes são fabricados usando seis cenários com e sem pressão de compactação magnético. Então, vamos demonstrar as etapas detalhadas para a caracterização de frações de volume vazio e fibra, microestrutura e propriedades à flexão de compósitos laminados. Para avaliar fracções de volume dos compostos constituintes, a resina-queimadura fora e métodos de suspensão são utilizados42. Os resultados apresentados mostram que usar pressão de compactação magnético significativamente aumenta a fração de volume de fibra e diminui o conteúdo vazio das partes. Além disso, para análise microestrutural de compósitos, digitalização de imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) é usado e dá uma visão sobre a localização e características geométricas de vazios15. Por exemplo, a Figura 3 mostra que o uso de pressão magnética durante a cura também é benéfico na redução do tamanho e o número de vazios e, portanto, diminui a probabilidade de falha prematura de20,24. Consequentemente, estes fatores melhorar consideravelmente as propriedades flexurais dos laminados. No entanto, a eficácia do MACM é diferente dependendo do tipo de componentes de compósitos (fibra e resina).

Embora a fabricação dos laminados com este método é simples, deve ter cuidado durante o arranjo e colocação de ímãs permanentes como eles geram uma pressão muito alta (ou seja, uma pressão máxima de 0,64 MPa). A limitação desse método é que a placa de fundo ferramenta precisa ser magnético, tais como a série 400 do aço inoxidável, e deve ser corrigido contra movimento antes da colocação de ímãs, porque a força de atração magnética pode mover e mudar a placa para cima. Além disso, a pressão aplicada pelos ímãs depende da espessura do laminado. Por exemplo, NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 ímãs permanentes não são capazes de gerar uma consolidação de alta pressão (> 0.1 MPa) quando a espessura do assentamento composto excede 6,5 mm. Nesse caso, ímãs mais fortes precisam ser utilizados para alcançar níveis elevados de consolidação.

O método apresentado é conveniente de usar e tem a vantagem sobre autoclaves em que não exige ferramentas e equipamento caro. Embora não elucidado aqui, esse método é amplamente aplicável não só ao saco de vácuo molhado percebê-lo, mas também a outros processos de fabricação de compósitos, tais como fora-de-autoclave cura de prepregs e transferência de vácuo assistida resina do molde (VARTM). Além disso, grandes componentes compostos podem ser fabricados com relativa facilidade, deslizando os ímãs ao longo do saco de vácuo se um lubrificante adequado é usado entre os ímãs e o saco de vácuo. Além disso, para o melhor de nosso conhecimento, este é o único método que permite a aplicação de pressão local, bem como não-uniforme sobre o composto percebê-lo. Uma direção futura desse método é para fabricar peças compostas geometricamente complexas, mas em vez de colocar os ímans sobre uma placa plana, eles podem ser colocados em um molde combinado, superior.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores agradecer a oficina de AME na Universidade de Oklahoma para ajudar a fazer o molde e a afinação de fabricação e os membros do composto Manufacturing Research Laboratory, DRS Yousef K. Hamidi, M. Akif Yalcinkaya e Jacob Anderson para útil discussões.

Materials

Plain weave glass fiber Hexcel HexForce 3733 The type of fibers can be substituted with any type of fabrics
Randomly oriented chopped strand glass fiber Fiberglast 248
TenCate EX-1522/IM7 Tencate it is a plain weave carbon/epoxy prepreg
PRO-SET INF-114 Infusion Epoxy Composite Envisions 1758 The type of resin can be substituted with any type of resin suitable for wet lay-up vacuum bag process
PRO-SET INF-211 Medium Infusion Hardener Composite Envisions 1760
EPON 862 Hexion Inc.
EPIKURE Curing Agent 3300 Hexion Inc.
NdFeB, N52-2.54 × 2.54 × 1.27 cm3 K&J Magnetics, Inc. BX0X08-N52 Magnets can be substitued with any type depending on the required pressure and application
OLFA rotary cutter Fibre Glast 1706-A
Tacky tape De-Comp Composites D413Y
Polyester tape De-Comp Composites D574A
Squeegees Fibre Glast 62-A Any type of squeegees can be used
Roller De-Comp Composites D205 Any type of rollers can be used
PTFE-Coated fiberglass fabric sheets McMaster-Carr Supply Company 8577K81
PTFE release agent dry lubricant Miller-Stephenson MS122AD
Perforated release film Fibre Glast 1787-C
Breather cloth De-Comp Composites
Vacuum bag film Rock West Composite WRIGHTLON 7400
Aluminum twist lock vacuum valve De-Comp Composites D401
Vacuum pump Best Value Vacs BVVRS1
Flexible silicone-rubber heat sheets, adhesive backing McMaster-Carr Supply Company 35765K429
400-series steel plate, 6.35 mm-thick The lay-up is prepared on this plate
steel plate, 4.76 mm-thick The magnets are attached to this plate
Aluminum sheet, 0.3-mm thick
Lab stirrer mixer Caframo
Laboratory weigh scale
AccuPyc II 1340 automatic gas pycnometer Micromeritics Instrument Corporation 134/00000/00
Specific gravity cup, 83.2 mL Gardco EW-38000-12
Acrylic cold mounting resin Struers LevoCit
Grinder/polisher Struers LaboSystem
Porcelain crucibles, 30 mL United Scientific Supplies JCT030
Plastic Cups, 12 Oz, clear It is used as epoxy mixing cups
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Pishvar, M., Amirkhosravi, M., Altan, M. C. Magnet Assisted Composite Manufacturing: A Flexible New Technique for Achieving High Consolidation Pressure in Vacuum Bag/Lay-Up Processes. J. Vis. Exp. (135), e57254, doi:10.3791/57254 (2018).
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