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Engineering

Aimant a aidé fabrication Composite : Une Flexible nouvelle Technique pour réaliser la Consolidation haute pression sous vide sac/était en place processus

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

Summary

On décrit une technique nouvelle pour élever la pression de consolidation sur le lay-up de sac de l’aspirateur pour fabriquer des stratifiés composites. Ce protocole vise à développer une technique simple et économique pour améliorer la qualité des stratifiés fabriqué selon le procédé de sac de l’aspirateur humide lay-up.

Abstract

Ce travail démontre un protocole visant à améliorer la qualité des stratifiés composites fabriqués par des procédés de sac de l’aspirateur humide lay-up utilisant le composé assistée aimant récemment mise au point technique (MACM) de fabrication. Dans cette technique, les aimants permanents sont utilisés pour appliquer une pression suffisamment forte consolidation durant la phase de durcissement. Pour accroître l’intensité du champ magnétique, et donc, pour augmenter la pression de compactage magnétique, les aimants sont placés sur un plateau magnétique supérieur. Tout d’abord, l’ensemble de la procédure de préparation du drapage composite sur un fond magnétique en acier plaque en utilisant le procédé de mise sous vide de classiques superposition humide est décrite. Deuxièmement, la mise en place d’un ensemble d’aimants néodyme-fer-bore, disposés en alternance de polarité, sur le sac de l’aspirateur est illustrée. Ensuite, les procédures expérimentales pour mesurer les fractions de pression et le volume de compactage magnétique des composants composites sont présentés. Enfin, les méthodes utilisées pour caractériser la microstructure et les propriétés mécaniques des composites stratifiés sont décrits en détail. Les résultats prouvent l’efficacité de la méthode MACM dans l’amélioration de la qualité des stratifiés de sac de l’aspirateur humide lay-up. Cette méthode ne nécessite pas de gros investissements pour l’outillage ou l’équipement et permet également de consolider les pièces composites géométriquement complexes en plaçant les aimants sur un moule haut de la page correspondant, positionné sur le sac de l’aspirateur.

Introduction

Composites polymères renforcés de fibres ont été largement utilisés dans l’automobile1,2, aérospatiale3,4, marine5,6et construction7,8 industries en raison de leurs propriétés uniques, telles que la résistance spécifique élevée et module, comportement en fatigue favorable et résistance à la corrosion. Actuellement, stratifiés composites de haute qualité sont principalement fabriquées en utilisant des couches de tissu pré-imprégné (prepreg) durcis en autoclave sous haute température et pression de consolidation haut de 0,27-0,69 MPa (40-100 lb/po2)9. Un peu plus faible qualité composite sont fabriqués par le procédé de superposition humide, où une pression plus élevée de consolidation n’est pas appliquée. Ce processus est beaucoup de travail, ne nécessite pas de matériel coûteux et est effectué en plaçant un pli de tissu sec sur un moule et ensuite application de résine. Dans la plupart des applications, un rouleau à main est utilisé pour forcer la résine dans le renforcement de la fibre et de faire sortir l’excès de résine. Cette séquence est répétée jusqu’à l’épaisseur désirée est obtenue. La qualité des stratifiés produites par la superposition humide peut être grandement améliorée en appliquant une combinaison du vide (appelée le procédé de mise sous vide de superposition humide) et une pression de consolidation supplémentaires en autoclave pendant le durcissement. Application d’une pression forte consolidation pendant le durcissement facilite l’écoulement de résine, conduisant à une augmentation de la fraction volumique de fibre et une suppression des vides10,11 , qui se traduit par une amélioration des propriétés mécaniques. Abraham et al. 12 a montré que stratifiés composites de haute qualité à armure toile E-glass avec une fraction volumique de fibre haute d’environ 64 % et la fraction de faible volume mort de 1,6 % peuvent être fabriqués à l’aide du sac de l’aspirateur humide lay-up lorsqu’une pression de consolidation de 1,2 MPa est appliqué en autoclave.

Vides sont l’un des défauts plus communs qui sont forment au cours de la fabrication des stratifiés composites. Vides allant de quelques microns à plusieurs cent microns sont formés principalement en raison de l’air emprisonné lors du procédé de superposition, dissous l’humidité contenue dans la résine et expulsée des substances volatiles durant la cure13,14,15. En outre, la dynamique de l’imprégnation des renforts fibreux se trouvent à avoir un effet significatif sur la provocation policière Sub16,17. Il est largement admis que la présence de vides dans un stratifié composite peut conduire à une réduction substantielle de la résistance13,18,19, le module20,21, la fracture ténacité22et fatigue vie23,24 des stratifiés. Par exemple, Judd et Wright25 a constaté que chaque augmentation de 1 % de teneur en vides (jusqu’à 4 %), entraîne une baisse de 7 % environ dans les propriétés de cisaillement de faisceau court. En outre, Ghiorse26 a constaté que, dans les composites carbone/époxy, pour chaque augmentation de 1 % de teneur en vides, une réduction de 10 % de résistance à la flexion et de cisaillement interlaminaire et une réduction de 5 % dans le module de flexion peuvent être vu. En outre, les vides ont des effets néfastes sur la fissure et de propagation, mais aussi l’humidité d’absorption27,28. Il est bien connu que le taux d’absorption de l’humidité pour les stratifiés avec des teneurs plus élevées en Sub est supérieur, et l’humidité absorbée peut provoquer la détérioration de l’interface fibre-matrice et de propriétés mécaniques à long terme inférieur29, 30,31,32. Ainsi, pour assurer l’uniformité des propriétés mécaniques et d’atteindre la meilleure qualité de produits composites, la teneur en vides doit être minimisée.

Bien qu’un stratifié composite dans un autoclave de polymérisation produit des pièces fiables et de haute qualité, le coût du produit serait élevé en raison des capitaux investis et la consommation d’énergie excessive. En plus de l’autoclave cure, une grande variété de techniques telles que le transfert de résine (résine) de moulage et de Quickstep ont été mis au point et utilisées pour fabriquer des stratifiés composites hors autoclave32,33, 34 , 35 , 36. Toutefois, en raison de l’absence d’une uniforme et à haute pression, les stratifiés produites par ces méthodes souvent ont des propriétés mécaniques inférieures par rapport à celles faites dans les autoclaves37. Récemment, une nouvelle technique appelée composite assistée aimant fabrication (MACM) a été utilisé pour améliorer la qualité des stratifiés composites de sac de l’aspirateur humide lay-up en appliquant une pression de consolidation générée par un ensemble de haute puissance permanente aimants38,39. L’application de cette technique a été ensuite étendue pour produire de haute qualité, structurels des stratifiés composites hors autoclave à l’aide d’aimants permanents de haute température40.

Dans cet article, un protocole de fabrication de stratifiés composites de wet lay-up sac de l’aspirateur à l’aide technique MACM est présenté. Au MACM, les aimants néodyme-fer-bore sont utilisés pour appliquer une pression suffisamment forte consolidation pendant le durcissement et ainsi, améliorer la qualité des produits laminés. Tout d’abord, on décrit la préparation de 6 plis, à armure toile E / verre/époxy drapage composite sur une plaque de fond en acier. Ensuite, la disposition des aimants permanents en polarité alternée sur un plateau supérieur en acier est démontrée, ainsi que son placement sur le sac de l’aspirateur pour appliquer une pression de consolidation sur le drapage composite. Enfin, nous décrivons les étapes pour la mesure de la pression de compactage magnétique, ainsi que les méthodes utilisées pour la caractérisation des fractions de volume vide et fibre, microstructure et propriétés mécaniques des composites stratifiés. L’efficacité du processus MACM est examinée par la fabrication des stratifiés de sac de l’aspirateur humide lay-up faites sous pression magnétique et en comparant leurs propriétés à ceux fabriqués par le sac de l’aspirateur classique lay-up humide sans aimants. Les résultats obtenus prouvent la capacité de la méthode MACM afin d’améliorer la qualité dans l’ensemble STRATIFIE. Cette méthode est un moyen simple et peu coûteux de fabrication des stratifiés de haute qualité et peut être utilisée pour fabriquer des composants composites géométriquement complexes et avec une relative facilité.

Protocol

ATTENTION : Veuillez consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation. Utiliser les équipements de protection individuelle (lunettes, gants, blouse, pantalons longs et chaussures fermées). 1. les matériaux Couper 6 plis de 20,3 cm x 15,2 cm, à armure toile de verre avec un cutter rotatif de tissu.NOTE : Le tissu à armure toile peut être remplacé par d’autres types de tissu, y compris les tapis non tissé, au hasard. Fibres de carbone peut également être utilisés dans cette méthode. Préparer le système de résine de première pesée de la résine époxy, INF (40 g), sur une balance tarée et en ajoutant ensuite le durcisseur, INF (10,96 g), selon un rapport de poids de 100 à 27,4. Remuez le mélange résine/durcisseur (à 37 rad s-1) jusqu’à dispersion entièrement est atteinte (pendant 5 min).NOTE : (1) le type de résine peut être remplacé par n’importe quel type de résine adapté aux processus de sac de l’aspirateur humide lay-up. (2) la sélection du ratio résine / à-durcisseur époxy dépend de la combinaison de la résine et le durcisseur. (3) la sélection du poids du mélange résine/durcisseur dépend de la fraction volumique de fibre désirée de la pièce finie et la quantité prévue de déchets tels que la quantité de résine saignement dehors, restant de résine au pinceau, etc.. Considérant le poids des 6-plis de tissu à environ 34 g, la résine ratio fibre 60 voix contre 40, en poids, a été choisi. Une solution contenant de la résine (environ 15 min) dans le piège de résine pour enlever tout l’air emprisonné formée lors du mixage de la résine époxy et durcisseur. 2. composite à l’aide de la pression magnétique dans un procédé de mise sous vide de superposition humide de fabrication Remarque : La Figure 1 montre un schéma simplifié de l’établissement du drapage composite et en appliquant une pression magnétique, ce qui est décrit dans les sections 2.1-2.15. Préparer tout le matériel nécessaire pour l’expérience : Placez les vingt-cinq N52 néodyme-fer-bore (NdFeB) aimants (épaisseur de 2,54 cm longueur, largeur 2,54 cm et 1,27 cm), magnétisés par le biais de leur épaisseur, sur un plateau supérieur en acier de 4,76 mm d’épaisseur. Organiser les aimants en 5 × 5 configuration carrée en polarités alternées. Au cours de la disposition et le placement des aimants permanents, il faut qu’il y a un risque de blessure. Placer un 0,3 mm d’épaisseur en aluminium plaque de caul (20,3 x 15,2 cm2) revêtues avec agent de démoulage PTFE exactement au milieu d’une pellicule perforée (26,7 x 21,6 cm2). Utilisez 12,7 mm polyester large bande à bande du périmètre de la crépine sur plaque à la pellicule. Place une bande large collante de 12,7 mm sur la périphérie d’une zone de2 43,2 x 27,9 cm sur la surface d’un 6.35 mm d’épaisseur, 61,0 x 61,0 cm2, plaque de fond en acier outil. Avant la pose du tissu, appliquer une couche de résine sur la plaquette de l’outil, recouverte d’une couche de pellicule de fibre de verre enduit de PTFE non poreuses (76 µm d’épaisseur). Appliquer juste assez de résine pour saturer le premier pli du tissu. Placez le premier pli du tissu, puis, avec un rouleau et faire sortir l’excès de résine. Entièrement saturer le lit de la fibre en versant une petite quantité de résine supplémentaire sur le dessus du tissu et ensuite se répandre uniformément sur toute la surface avec raclettes. Répétez les étapes 2.4 et 2.5 pour tous les plis (6plis dans ce cas). S’assurer que tous les plis sont entièrement imprégnées de résine et qu’environ la même quantité de résine (~8.5 g) est utilisée pour chaque pli. Placer la plaque de caul, attachée à la pellicule perforée, sur le dessus de la préforme de fibre, suivie d’une couche de ruban de 0,5 pouce de large polyester autour du périmètre de la pellicule. Deux morceaux de tissu de feutre de drainage/purge sur la préforme de fibre et placer le morceau de fond de la soupape de dépression de serrure de torsion sur le dessus de la toile de reniflard. S’assurer que la valve se trouve assez loin de la préforme saturée pour protéger le robinet du contact avec l’excès de résine. Retirez la pellicule protectrice de la bande collante et placez le sac de l’aspirateur sur la plaque de l’outil tout en pressant fermement contre la bande à sceller. Branchez un côté du tuyau d’aspiration à la partie supérieure de la soupape de dépression et de l’autre côté pour le régulateur de pression, relié à la pompe à vide. Mettre une petite fente dans le sac où est la pièce inférieure de la vanne, insérez la partie supérieure de la soupape de dépression dans le trou et puis tourner doucement il fermer afin que le sac dessous ne pas plisser. Démarrer la pompe à vide jusqu’à ce qu’une dépression constante de 93 kPa (13,5 lb/po2) pour supprimer toute volatils générés au cours de la cure et l’excès de résine. S’assurer que le système d’aspiration est libre de fuite. Fixez les quatre bords de la plaque d’outil de fond à une base de soutien. La plaque d’outil de fond doit être fixée contre le mouvement avant le placement des aimants parce que la force d’attraction magnétique peut se déplacer et déplacer la plaque vers le haut. Permettre le stratifié à polymériser pendant 45 min à température ambiante, puis placer l’ensemble des aimants (préparé dans la section 2.1.1) sur le sac de l’aspirateur, puis en augmentant la température de la plaque de l’outil à 60 ° C à une vitesse de montée d’environ 5 ° C/min.Remarque : (1) le cycle de guérison dépend de la résine sélectionnée. (2) feuilles de chaleur pour le caoutchouc de silicone sont placées sous la plaque de l’outil pour le chauffage. Après durcissement pendant 8 h à 60 ° C, retirez le sac de l’aspirateur et demold le stratifié.NOTE : Afin d’évaluer l’amélioration de la qualité des produits laminés en raison de l’application d’une pression magnétique, nous avons fabriqué une série de produits laminés en utilisant un procédé de mise sous vide de classiques superposition humide sans appliquer aucune pression externe. La qualité de ces stratifiés a été comparée à celles faites sous pression magnétique. Pour fabriquer les stratifiés à l’aide de lay-up humide classique sac de l’aspirateur, étapes 2.1.2 à 2.15 ont été suivies, sauf pour le placement des aimants. Pour évaluer la répétabilité de chaque processus de fabrication, un deuxième stratifié a été fabriqué dans des conditions identiques. 3. mesure de la pression de compactage magnétique Fixer la plaque supérieure à l’extrémité de la cellule de charge sur un appareil de contrôle mécanique. Un lieu N52 néodyme-fer-bore aimanté sur la plaque de fond amovible, placée à une distance suffisante (au moins 25 mm) de haut plateau fixe au début de l’épreuve.Remarque : Pour la mesure de la force magnétique, plaques haut et en bas il faudrait des matériaux magnétiques tels que l’acier. Déplacer la plaque de fond vers le haut à une vitesse faible de 1 à 2 mm/min vers la plaque supérieure et enregistrer la force magnétique générée tout en mesurant le déplacement correspondant du transformateur variable différentiel linéaire (LVDT) à une fréquence d’échantillonnage de 6 Hz.Remarque : (1) la vitesse de ce test est essentielle car la force générée par les aimants dépend exponentiellement l’intervalle d’air entre les deux. (2) toutes les mesures magnétiques sont effectuées à température ambiante. Continuer à surveiller la force de compactage magnétique jusqu’à ce que la surface supérieure de l’aimant touche la plaque supérieure. Calculer la pression de compactage magnétique en divisant la force magnétique de la section transversale de l’aimant. 4. résine décalaminer et analyse thermogravimétrique (ATG) Décalaminer résine Couper trois spécimens de chaque laminé pour un résine décalaminer test selon la norme ASTM D2584-11 fiche41. Placer chaque échantillon dans un creuset de porcelaine distinct et noter le poids des feuilles ainsi que les creusets. Placer les creusets contenant les échantillons dans un four, allumer le four, augmenter la température du four à 600 ° C et laisser l’échangeur décalaminer pendant environ 4 h. Éteindre le four, soigneusement ouvrir la porte du four et laisser refroidir à température ambiante avant d’enlever les creusets. Après refroidissement, retirez les creusets de la fournaise et peser les fibres de verre récupérés.Remarque : Les fibres peuvent perdre du poids pendant le brûlage résine. Le montant de la perte de poids des fibres lorsqu’ils sont exposés à des températures élevées peut être déterminé par l’analyse thermogravimétrique (ATG). Analyse thermogravimétrique (ATG) Mesurer la perte de poids de la fibre en fonction de la température dans l’air à la pression atmosphérique à l’aide de TGA. Placer environ 30 mg de la fibre dans une casserole de platine et le charger dans l’appareil TGA. La température de 25 ° C à 600 ° C à une vitesse de 15 ° C/min de rampe, maintenez la température pendant 4 h et calculer le pourcentage de réduction du poids. Le pourcentage de perte de poids des fibres sont comptabilisés au cours de la fraction volumique de fibre et des calculs de fraction de volume vide.Remarque : Selon les résultats de test TGA à 600 ° C, la perte de poids pour l’armure et mat aléatoire préformes utilisées dans cette étude sont 0,2 % et 5,46 %, respectivement. 5. vide et calcul de Fraction de Volume Fiber Déterminer la masse volumique de l’échantillon composite, matrice et fibre : Utilisez la méthode de suspension42 pour déterminer la densité de l’échantillon composite en vrac.Remarque : Pour cette méthode, un liquide transparent et lourd avec une densité de 2,49 g/cm3 est utilisé pour que l’échantillon composite flotte initialement lorsqu’immergé dans le liquide lourd. Réduire la densité du liquide lourd en ajoutant 3 mL d’eau et mélanger la solution de l’agitateur magnétique à 105 rad s-1 pendant 5 min. Répétez cette étape jusqu’à ce que l’échantillon composite commence à suspendre lentement dans le mélange liquide/eau lourde. Une fois que la densité de la solution a été ajustée afin que l’échantillon reste suspendue dans le mélange liquide et d’eau lourd, mesurer la densité de la solution à l’aide d’une tasse de gravité spécifique. Préparer la résine vide sans les échantillons à l’aide de la même cure cycle donné aux étapes 2.14 et 2.15 et ensuite déterminer la densité des échantillons de résine polymérisée en utilisant la même procédure que 5.1.1.1 et 5.1.1.2.Remarque : La densité des guéri INF et EPON spécimens sont 1,152 ± 0,003 g/cm3 et 1.171 ± 0,003 g/cm3, respectivement. Utilisez un azote pycnomètre43 avec une tasse de 10 cm3 pour obtenir la densité des fibres.Remarque : La densité de l’armure toile et tissus matelas aléatoires sont 2.600 ± 0,003 g/cm3 et 2,470 ± 0,004 g/cm3, respectivement. Calculer la fraction de poids de la fibre et la résine selon ASTM D2584-1141. Calculer la fraction de volume vide et fibre suivant ASTM D3171-15 procédures44(1)(2)(3)où est la fraction de volume de résine, est la fraction volumique de fibre, est la fraction de volume vide, est la masse volumique du composite, est la masse volumique de la résine, est la densité des fibres, est le poids de l’échantillon et est le poids de la fibre.Remarque : L’incertitude quant au contenu du volume vide est évaluée à ±0.21 . Ce niveau de précision est suffisant pour les stratifiés composites, même lorsque le stratifié a une teneur faible-vide de moins de 1 %. 6. analyse d’imagerie microscopie électronique (SEM) Couper deux 25,4 mm × 6,4 mm spécimens chaque stratifié et les intégrer dans un acrylique de rapid-cure pour l’imagerie de la SEM.Remarque : Les spécimens sont intégrées telles que la surface de côté (l’épaisseur surface) du stratifié sur toute la longueur d’échantillon de 25,4 mm est exposée pour l’imagerie. Utiliser une machine de polissage pour polir la surface des échantillons composites embarqués avec des tailles de grain allant de 30 à 0,04 µm. Par pulvérisation cathodique manteau environ 5 nm du or/palladium sur l’échantillon préparé pour fournir une couche conductrice. Monter l’échantillon sur un porte-échantillon et le mettre dans la chambre du SEM. Définir la SEM d’imagerie des paramètres tels que la tension d’accélération à 20 kV et la distance de travail à 25,5 mm. Saisir des images multiples de la lamination à 35 X ou un grossissement supérieur à divers endroits.Remarque : Le grossissement sélectionné permet l’évaluation des vides sur une grande surface transversale ainsi qu’une comparaison visuelle de l’épaisseur du stratifié. Des mesures précises de l’épaisseur du stratifié est possible à l’aide de ces images. 7. caractérisation des propriétés en flexion Couper un ensemble de sept spécimens de largeur de 12,7 mm de chaque composite laminé pour essais de flexion flexion trois points selon ASTM D790-1546 à l’aide d’une scie à diamant-grit. Mesurer la largeur et l’épaisseur de chaque spécimen avec un pied à coulisse. Utilisez un intervalle de rapport de l’épaisseur de 24:1 et réglez la durée de prise en charge d’essai flexion trois points. Placez l’échantillon sur l’appareil de test en flexion flexion trois points monté sur l’appareil de test mécanique. Effectuer l’essai de flexion à la vitesse curseur de 2 mm/min et enregistrer le comportement de contrainte-déformation de l’échantillon. Répétez les étapes ci-dessus pour tous les échantillons confirmer et garantir la répétabilité des résultats. Une fois l’expérience terminée, calculer la résistance à la flexion et le module de flexion des spécimens39,40.

Representative Results

Pour étudier l’effet du MACM sur la qualité des stratifiés, plusieurs scénarios qui utilisent des types de tissus différents et de systèmes de résine ont été examinées. Tableau 1 indique les processus de fabrication et les composants composites de stratifiés composites de E-verre/époxy 6 plis, fabriqués sous six scénarios de fabrication différente. Dans les scénarios de référence (W-PW-INF, INF-RM-W et W-RM-EPON), les stratifiés sont fabriqués par sac de l’aspirateur humide lay-up sans pression extérieure. Les trois autres scénarios (WM-PW-INF, WM-RM-INF et WM-RM-EPON) sont utilisées pour fabriquer des stratifiés de sac de l’aspirateur humide lay-up sous la pression de compactage magnétique. La qualité de ces stratifiés est alors comparée à celles faites par les scénarios de référence. Dans les scénarios de premiers et deuxième, W-PW-INF et WM-PW-INF, à armure toile E-verre/INF stratifiés sont fabriqués. Dans les scénarios de troisième et quatrième, W-RM-INF et WM-RM-INF, le tissu à armure toile est remplacé par le mat au hasard, et le même système de résine (c.-à-d., INF) est utilisé. Dans les scénarios de cinquième et sixième, W-RM-EPON et WM-RM-EPON, le tissu est aléatoire E verre mat, tandis que le système de résine est remplacé par EPON qui possède une viscosité plus modérément élevée de 766.9 mPa s comparée à 296 mPa s pour résine d’INF. On trouvera une analyse plus détaillée des quatre derniers scénarios dans Pishvar al 2017 et Amirkhosravi al 201738,39. Figure 2 a présente la pression magnétique générée par NdFeB, N52-2,54 × 2,54 x 1,27 cm3 aimant en fonction de la distance entre l’aimant et la plaque d’acier. Cette distance correspond à l’épaisseur de lay-up pendant la fabrication du composite stratifié et peut donc être utilisée pour déterminer la variation de la pression de compactage appliquée par les aimants. L’encart dans la Figure 2 montre une photographie du montage expérimental utilisé pour mesurer la variation de la pression magnétique en fonction de la distance. Comme expliqué dans l’article 3 du protocole, l’installation est composée de deux plaques parallèles d’acier (12,5 cm x 12,5 cm × 1,8 cm). La plaque supérieure est reliée à un capteur 4,45 kN (1000 lb). La plaque de fond est montée sur la tête de croix d’un appareil de contrôle mécanique. En utilisant cette configuration, la force d’attraction de l’aimant permanent placé sur la plaque de fond est mesurée en fonction de l’écart (c’est-à-dire, la distance entre l’aimant et la plaque supérieure en acier). La ligne en pointillé dans la Figure 2 a représente la pression magnétique mesurée (force sur la surface de l’aimant) par l’appareil de contrôle mécanique, et la ligne continue représente la pression déterminée d’après les données communiquées par le fournisseur des aimants. Il n’y a généralement bon accord entre la pression mesurée et les valeurs obtenues à partir de la fiche technique fournie par le fournisseur. Il est considéré que l’augmentation de pression magnétique dépend exponentiellement de la réduction de l’écart. Par conséquent, comme le stratifié consolide durant le processus de durcissement, l’épaisseur de la superposition diminue progressivement, et par conséquent, augmente la pression exercée par l’aimant. Figure 2 b présente les mêmes données expérimentales présentées dans la Figure 2 a , mais pour la gamme de gap (p. ex., épaisseur de lay-up) de 1 à 4,5 mm. En outre, la pression magnétique initiale et finale appliquée durant la cure des stratifiés composé les types de tissus différents (c.-à-d., à armure toile et tapis aléatoire) et des systèmes de résine (c.-à-d., INF et EPON) sont affichés dans la Figure 2 b. L’épaisseur de la superposition des stratifiés d’armure/INF (WM-PW-INF) lors de la consolidation diminue de 1,5 mm à 1,4 mm due à l’écoulement de résine et de guérison. Par conséquent, la pression magnétique augmente légèrement de 0,38 à 0,39 MPa. L’épaisseur de la superposition d’aléatoire mat/INF stratifiés changements (WM-RM-INF) de 2,8 mm à 1,7 mm et, en conséquence, la pression magnétique augmente significativement de 0,27 à 0,36 MPa. L’épaisseur de la superposition des stratifiés avec aléatoire mat/EPON (WM-RM-EPON) diminue de 3,7 mm à 2,5 mm, et ainsi, la pression générée Monte modérément de 0,22 à 0,29 MPa. Le tableau 2 présente l’épaisseur moyenne, fraction volumique de fibre et fraction de volume vide des stratifiés fabriqués avec ou sans pression de consolidation magnétique. Comme indiqué dans le tableau 2, utilisant la pression de compactage magnétique sensiblement réduit l’épaisseur moyenne des stratifiés de 12 à 47 %. Comme prévu, la réduction de l’épaisseur du stratifié est fortement corrélée avec l’augmentation de la fraction volumique de fibre des stratifiés, où la fraction volumique de fibre des stratifiés améliore de manière significative par 13 à 98 % en raison de la pression magnétique. Parmi tous les scénarios, l’effet de pression magnétique sur les stratifiés aléatoires mat/INF est plus prononcé (soit 98 % augmentation en fraction volumique fibre) à cause de deux facteurs : (1) une fraction de volume initial fibre significativement plus faible de non compactée aléatoire stratifié mat comparé aux stratifiés à armure toile et (2) l’utilisation de résine avec une basse viscosité de 296 mPa s, permettant ainsi un retrait plus facile des excès de résine. Il faut aussi noter que pression magnétique a un avantage supplémentaire dans la diminution de la fraction de volume vide de stratifiés de 3,4 à 5,8 % à 1,5 à 2,7 %. Ainsi, la pression magnétique entraîne non seulement l’excès de résine, mais aussi les vides sur le stratifié. La figure 3 affiche les images de SEM d’E-verre/époxy stratifiés fabriqués sous 6 scénarios différents à un grossissement de X 35. Pour simple comparaison visuelle, l’image des stratifiés sans une pression externe sont affichées sur la gauche et les stratifiés en vertu magnétique compactage sont présentés sur la droite. Parmi ces images, il est évident qu’utilisant la pression de compactage magnétique entraîne consolidation nettement améliorée entre les plis et, par conséquent, conduit à une réduction significative dans les zones riches en résine. Par conséquent, l’épaisseur du stratifié est remarquablement réduite et la fraction volumique de fibre est augmentée, en particulier dans les stratifiés en tissu mat aléatoire et résine INF (WM-RM-INF). Ces images montrent également que la morphologie des vides est très différente dans les stratifiés réalisés avec et sans pression extérieure. Application d’une pression magnétique réduit le nombre d’espaces vides et rend les vides plus petits, conduisant à une fraction de volume vide plus faible dans les stratifiés. Enfin, le conduit à compacter les vides qui situent trouvent entre les plis plus allongées vides. Le tableau 3 montre la résistance à la flexion et le module de tous les stratifiés et le pourcentage d’augmentation dans les propriétés en flexion des stratifiés faites sous la pression de consolidation magnétique. Les résultats montrent clairement que la résistance à la flexion et le module de stratifiés sont sensiblement améliorées en utilisant la pression magnétique. Une augmentation de 98 % de la fraction de volume de fibre des stratifiés aléatoires mat/INF (WM-RM-INF), tout en ayant une teneur minimale en Sub de 1,46 %, augmentation de la résistance à la flexion et le module des stratifiés, causes un 62 % et 67 % respectivement. Comme prévu, l’armure/INF stratifiés (WM-PW-INF) qui au départ a montré l’amélioration plus bas de 13 % dans la fraction volumique de fibre, a montré la plus faible hausse, 7 % et 22 %, dans la résistance à la flexion et le module, respectivement. Par conséquent, la mise en valeur de propriétés en flexion d’une variété de stratifiés composites faite sous la pression de consolidation magnétique prouve la capacité du MACM afin d’améliorer la qualité dans l’ensemble STRATIFIE. Fabricationscénario de Type de tissu Système de résine Procédé de fabrication W-PW-INF Armure E-verre INF Sac de l’aspirateur classique lay-up humide sans utiliser de pression externe WM-PW-INF Armure E-verre INF Sac de l’aspirateur humide lay-up avec l’aide de la pression de consolidation magnétique W-RM-INF Au hasard mat de verre E INF Sac de l’aspirateur classique lay-up humide sans utiliser de pression externe WM-RM-INF Au hasard mat de verre E INF Sac de l’aspirateur humide lay-up avec l’aide de la pression de consolidation magnétique W-RM-EPON Au hasard mat de verre E EPON Sac de l’aspirateur classique lay-up humide sans utiliser de pression externe WM-RM-EPON Au hasard mat de verre E EPON Sac de l’aspirateur humide lay-up avec l’aide de la pression de consolidation magnétique Tableau 1 : Détails des constituants et des scénarios de fabrication six utilisés dans la fabrication de stratifiés composites 6plis. Scénario de fabrication Épaisseur moyenne (mm) Fraction de volume de fibre (%) Augmentation de la fraction volumique de fibre (%) Fraction de volume vide (%) Réduction de la fraction de volume vide (%) 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 Tableau 2 : épaisseur moyenne, fraction volumique de fibre et fraction de volume vide des stratifiés 6plis fabriqués sous six différents scénarios. Le pourcentage d’augmentation réduction de fraction et pourcentage de volume fibre en fraction de volume vide à cause du compactage magnétique (n = 6 pour la fraction volumique de fibre et fraction de volume vide et n = 35 pour moyenne stratifié épaisseur ; intervalle de confiance de 95 % de toutes les données) sont aussi donné. Scénario de fabrication Résistance à la flexion (MPa) Augmentation de la résistance à la flexion (%) Module de flexion (GPa) Augmentation de module de flexion (%) 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 Tableau 3 : Résistance à la flexion et le module des stratifiés composites et le pourcentage augmentent dans des propriétés de flexion par compactage magnétique (n = 7 pour les stratifiés faites par EPON et n = 14 pour le reste ; intervalle de confiance de 95 % de toutes les données). Figure 1 : un schéma simplifié de la préparation de drapage composite et application d’une pression magnétique, tel que décrit dans la section protocole. À cet effet, vingt-cinq NdFeB, N52-2,54 × 2,54 x 1,27 cm3 aimants permanents sont utilisés pour appliquer la pression de consolidation sur le drapage composite. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 2 : (a) Variation de la pression magnétique générés par NdFeB, N52-2,54 × 2,54 1,27 aimant de3 cm en fonction de l’écart (c.-à-d., épaisseur de superposition). L’encart montre une photographie du montage expérimental utilisé pour mesurer la pression magnétique. (b) l’initiale et finale pression magnétique appliquée pendant le durcissement d’armure/INF (WM-PW-INF), mat/INF(WM-RM-INF) au hasard et aléatoire stratifié (WM-RM-EPON) de mat/EPON. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 3 : images de SEM des stratifiés composites E / verre/époxy 6plis fabriquées à l’aide d’un procédé de mise sous vide de superposition humide avec et sans l’aide de pression magnétique. b W-PW-INF (armure/INF laminé, sans pression extérieure), (b) WM-PW-INF (armure/INF stratifié, avec pression magnétique), (c) W-RM-INF (mat/INF aléatoire stratifié, sans pression extérieure), () (d) WM-RM-INF mat/INF aléatoire stratifié, avec pression magnétique), (e) W-RM-EPON (stratifié de mat/EPON aléatoire, sans pression extérieure) et (f) WM-RM-EPON (aléatoire stratifié mat/EPON, avec pression magnétique). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

L’application d’une pression forte consolidation durant la cure d’un stratifié composite est particulièrement importante pour la fabrication d’une pièce en composite haute qualité47. Si la pression extérieure n’est pas appliquée et le stratifié est guéri seulement sous vide, la partie finale contiendra généralement haute teneur en vides, éventuellement excède 5 % en volume et indésirables résine régions riches48. Haute teneur en vides, fraction volumique faible fibre et résine zones riches sont des facteurs influant négativement sur les propriétés mécaniques des composites stratifiés. Dans cet ouvrage, un protocole expérimental pour élever la pression de consolidation élevé pendant le durcissement d’un stratifié dans le procédé de mise sous vide de superposition humide est décrit29. Dans cette technique, tout d’abord, le drapage composite est préparée sur une plaque d’outil de fond magnétique selon le procédé de mise sous vide de classiques superposition humide. Ensuite, un ensemble d’aimants permanents, attaché à une plaque d’acier top magnétique, est placé sur le sac de l’aspirateur. Dans cette étude, les aimants sont appliquées tout en augmentant la température du procédé de superposition à 60 ° C, où la viscosité de la résine diminue de manière significative. Exerçant une pression à un moment différent, tel que le point de gélification, peuvent rendement stratifiés avec des propriétés différentes de40,13,49. Le niveau de pression magnétique appliquée dépend de l’écart entre les aimants et la plaque de fond magnétique. Ainsi, nous présentons une procédure pour mesurer la pression magnétique générée par un aimant en fonction de l’écart (c.-à-d., épaisseur de superposition).

Pour déterminer l’efficacité du MACM, mouiller lay-up sac sous vide stratifiés avec différents ingrédients sont fabriqués à l’aide de six scénarios avec et sans pression de compactage magnétique. Ensuite, nous démontrons la procédure détaillée pour la caractérisation des fractions de volume vide et fibre, microstructure et propriétés en flexion des composites stratifiés. Pour évaluer les titres volumiques des composants composites, la résine-burn off et méthodes de suspension sont utilisés42. Les résultats présentés montrent qu’en utilisant la pression de compactage magnétiques significativement augmente la fraction volumique de fibre et diminue la teneur en vides des pièces. En outre, pour analyse microstructurale de composite, scanning electron microscope imaging est utilisé et donne un aperçu de l’emplacement et les caractéristiques géométriques des vides15. Par exemple, la Figure 3 montre que l’utilisation de pression magnétique au cours de la cure est également bénéfique dans la réduction de la taille et le nombre d’espaces vides et donc diminue la probabilité de défaillance prématurée20,24. Par conséquent, ces facteurs améliorent considérablement les propriétés en flexion des stratifiés. Toutefois, l’efficacité du MACM diffère selon le type des constituants composites (fibre et résine).

Bien que la fabrication de stratifiés avec cette méthode est simple, il faut au cours d’arrangement et de placement des aimants permanents qu’ils génèrent une pression très élevée (c’est-à-dire, une pression maximale de 0,64 MPa). La limitation de cette méthode est que la plaque d’outil de fond doit être magnétique, tels que l’acier inoxydable série 400, et il doit être fixé contre le mouvement avant le placement des aimants, parce que la force d’attraction magnétique peut se déplacer et déplacer la plaque vers le haut. En outre, la pression appliquée par des aimants dépend de l’épaisseur du stratifié. Par exemple, NdFeB, N52-2,54 × 2,54 x 1,27 cm3 aimants permanents ne sont pas en mesure de générer une pression de consolidation élevés (> 0,1 MPa) lorsque l’épaisseur de drapage composite dépasse 6,5 mm. Dans ce cas, aimants plus puissants doivent être utilisés pour atteindre des niveaux élevés de consolidation.

La méthode présentée est facile à utiliser et a l’avantage sur les autoclaves en ce qu’il ne nécessite pas d’outillage et matériel coûteux. Bien que non élucidés ici, cette méthode est applicable non seulement à sac de l’aspirateur humide lay-up mais aussi à d’autres processus de fabrication des composites, tels que hors-de-autoclave de polymérisation de pré-imprégnés et de transfert de résine (résine) de moulage. En outre, gros composants composites peuvent être fabriquées avec une relative facilité en faisant glisser les aimants le long du sac de l’aspirateur si un lubrifiant approprié est utilisé entre les aimants et le sac de l’aspirateur. En outre, à notre connaissance, c’est la seule méthode qui permet l’application d’une pression locale ainsi que non uniforme sur le drapage composite. Une orientation future de cette méthode consiste à fabriquer des pièces composites géométriquement complexes, mais au lieu de placer les aimants sur une plaque plane, ils peuvent être placés sur un moule apparié, supérieur.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs remercient l’atelier d’usinage AME à l’Université de l’Oklahoma pour aider à réaliser le moule et la mise en place de fabrication et les membres de la Composite Manufacturing Research Laboratory, Drs Yousef K. Hamidi, M. Akif Yaro et Jacob Anderson pour utile discussions.

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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