Современные технологии производства композитных изделий
advertisement
НАУКА И ПРОИЗВОДСТВО Современные технологии производства композитных изделий от ESI Group Екатерина Пещеренко, инженер группы технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» – «Делкам-Урал» С егодня композиты опережают традиционные материалы, продемонстрировав свою пригодность для большого числа изделий. Основные их преимущества это низкая масса, отличные механические свойства и химическая стойкость. Тем не менее, все еще существует необходимость совершенствовать производственные процессы, чтобы уменьшить стоимость композитов и сделать их еще более конкурентоспособными. Современные тенденции развития рынка этих материалов диктуют переход к более дешевым технологиям производства с сохранением высокого качества изделия. Для производства высоконагруженных или ответственных изделий долго применялись исключительно автоклавные технологии. Сейчас эти детали все чаще изготавливают с помощью RTM-технологии или даже вакуумной инфузией с использованием только одной жесткой оснастки. При производстве крупногабаритных изделий, как, например, лопасть ветряной турбины, длина детали может достигать десятков метров. При таких размерах конструкции, экономия на оснастке, как и при изготовлении технологией вакуумной инфузии, оказывается значительной. Осуществление перехода с одной технологии производства на другую – не простая задача и требует значительного опыта в области композиционных материалов. Кроме того, необходима серия экспериментов, подтверждающих оптимальность выбранной новой схемы производства. Очень важно изготовить эти детали с первого раза без образования производственных дефектов, таких как сухие зоны при пропитке или высокий уровень пористости и пр. Таким образом, на этапе определения оптимальной технологии производства не обойтись без численного моделирования, особенно при разработке новой схемы изготовления крупногабаритного изделия. Для моделирования RTM-процессов в линейке продуктов ESI Group представлен программный продукт – ESI PAM-RTM. Данное программное обеспечение предна- 2 значено для моделирования технологического процесса изготовления композитного изделия методом пропитки сухой ткани связующим. В ESI PAM-RTM реализована возможность расчета всех основных технологий производства методом инжекции связующего в форму: ll RTM-технология; ll вакуумная инфузия; ll предварительный нагрев оснастки и изделия; ll неизотермическая пропитка (с учетом теплообмена между оснасткой, изделием и связующим); ll расчет полимеризации; ll CRTM, RTM-метод производства с приложением дополнительного давления на форму; ll проведение быстрого моделирования (порядка одной минуты) для оценки конечного распределения фронта пропитки; ll расчет угла сдвига волокон в соответствии с криволинейностью формы (геометрический алгоритм) и т.д. Используя численное моделирование, в ходе расчета в продукте ESI PAM – RTM пользователь определяет оптимальную схему производства изделия, варьируя при необходимости: ll схемой подачей/отвода связующего; ll расположением вакуумных портов; ll схемой укладки композита; ll используемыми материалами (армирующим наполнителем и связующим); ll температурным режимом и т.д. В качестве результата расчета пользователь может оценить: ll фронт распределения связующего; ll наличие сухих зон; ll пористость изделия; ll поле давления и температур; ll степень полимеризации и т.д. Технология пропитки ткани связующим – одна из наиболее перспективных для производства композитных изделий. Виртуальное моделирование является эффективным инструментом, который помогает не только определить оптимальную схему производства, но и дает лучшее понимание процесса, в том числе и внутри изделия. Моделирование в продукте ESI PAM-RTM с целью разработки и оптимизации RTM-процессов еще на стадии проектирования позволяет выбирать оптимальное сырье и учитывать ключевые моменты производства, что помогает избежать дорогостоящих стендовых экспериментов. Такой подход значительно упрощает переход с препреговой технологии на RTM-метод производства. Еще одна тенденция – уменьшение количества деталей за счет изготовления единой монолитной конструкции. ESI PAM-RTM помогает сократить время производства при сохранении высокого качества детали. Качество результата расчета напрямую зависит от точности начальных данных. Поэтому особое внимание следует уделить точному определению входных характеристик материалов. В зависимости от сложности выбранного процесса (RTMпропитка, вакуумная инфузия, расчет полимеризации изделия и пр.) увеличивается количество входных данных (свойства материалов). Далее мы приводим список основных необходимых начальных данных и способы их получения (характеристики смолы и проницаемость ткани). Начальные данные 1. Вязкость связующего В продукте ESI PAM-RTM пользователь может проводить расчет с учетом и без учета воздействия температур. Таким образом, в зависимости от типа моделируемого процесса вязкость смолы можно задавать постоянным значением const (изотермический процесс) или в виде графика, описывающего изменение вязкости связующего от температуры, времени и степени полимеризации, fviscosity (t, T, α) (неизотермический процесс). Для проведения неизотермического расчета необходимо полное описание свойств смолы. Это означает, что перед началом моделирования пользователь должен иметь график изменения коэффициента полимеризации от времени для различных температур нагрева (рис. 1). Для получения таких характеристик обычно проводят термоаналитический метод исследования – DSC-тест (Digital Scanning Calorimetry Тest). При проведении теста исследуемая смола находится внутри контейнера, который, в свою очередь, находится в контакте c сенсором, измеряющим соответствующее свойство. При этом датчик фиксирует температуру в течение всего процесса. Система датчиков и образец SCIENCE & INDUSTRY Рис. 1. находятся внутри печи. Управление печью осуществляется с помощью программатора температур, и в зависимости от требований экспериментатора температуру печи можно увеличивать, уменьшать или поддерживать постоянной. Зависимость измеренного свойства от температуры, записанная датчиками, после обработки выводится на экран компьютера и представляет собой термоаналитическую кривую (рис. 2). Таким образом, перед началом расчета неизотермической задачи пользователь должен иметь следующие свойства смолы: ll изменение вязкости связующего от температуры, времени и степени полимеризации, fviscosity (t, T, α); ll график изменения коэффициента полимеризации от времени для различных температур нагрева (рис. 1); ll график изменения скорости реакции связующего в зависимости от температуры нагрева для различных степеней полимеризации смолы (рис. 2). Рис. 2. ο ܸ ൌ Дарси можно представить и Уравнение ఓ в матричном виде. ܸൌ ο ఓ Procedures to Run Longitudinal Injections to (1) Measure. Unsaturated Permeability of LCM Reinforcements. Justin B. Alms, Nuno Correia, (1) Suresh G. Advani, Edu Ruiz). p x Определение проницаемости k k k v x xx xy xz в направлении К1 и К2 1 pp (2) Требования к установке для проведения v y k xy k yy k yz y k kk kk k x v v испытаний z x 1 xz xxyz xyzz xzp Рассмотрим схему установки, необ p (2) v k xy k yy k yzz y ходимую для проведения эксперимента y v (рис. 3). Возможно внесение некоторых из z k xz k yz k zz p Для проведения расчета процесса про- менений в данную схему при соблюдении zкоэффирекомендаций к проведению эксперименпитки достаточно значения 0 0 K1 иметь циента проницаемости по главной диаго- тов по определению коэффициентов про (3) K2 0 ницаемости. нали: K 0 0 K1 0 0 K 3 0 При проведении испытаний на определение коэффициентов проницаемости об మK 2 K 0 ௫ǡ (3) థఓ థఓ 0 разец между двумя оснастками. ܭ௫ ൌ находится ݉ ܭ௫ ൌ ଶ 0 ଶ 0 ௧ K 3 Перед началом проведения эксперимента ткань приформовывают для обеспечения మ థఓ ௫ǡ థఓ равномерной Коэффициенты К1 и К2 соответствуют ܭ ݉ толщины и фиксируют по ܭ௫ ൌ ௫ ൌ (4) ଶ ௧ наполнителя (5) торцамଶс помощью герметика. В зависипроницаемости армирующего по направлению основы и утка (по осям X мости от типа проводимого эксперимента и Y), а значение К3 – по толщине образца, подача связующего осуществляется с торца 2. Проницаемость ткани (5) изделия или в центр заготовки. Общая схеВ программном продукте ESI PAM- в направлении оси Z.(4) ма заготовки приведена на рис. 4. RTM расчет характера движения связуОсобое внимание при подготовке ோభ ோమ ܭଵ ൌ ݇ ݇ (6) ющего через армирующий наполнитель численного расчета необходимо уделять ோ , ܭଶ ൌ ோభ మ выполняется исходя из закона Дарси. проведению экспериментов по установлеПредполагается, что течение смолы через нию значений исходных данных. Вначале ோ ோమ ܭଵ ൌ ݇మ భ , ܭଶଶൌ ݇коэффициентов (6) ோ волокнистую основу аналогично течению рассмотрим определение ோ భோభ ʣఓோ బ మ ோభ ݇ ൌ ቁ ቀʹ݈݊ ቀ XY. ቁ െ ͳቁ ͳ൰ (7) ൬ቀ жидкости в пористой среде и его можно проницаемости в плоскости Сущеସ௧ ோబ ோబ описать через уравнение Дарси, которое ствует два типа проведения эксперименгласит, что скорость течения связующего тов, которые можно по ʣఓோబమ разделить ோ ଶ ோభ способу ݇ ൌ ቁ െ ͳቁза ͳ൰ (7) ൬ቀ భ ቁ ቀʹ݈݊ прямо пропорциональна градиенту давле- подачи связующего: и ቀвோцентр ସ௧ сோторца బ బ ния и обратно пропорциональна вязкости готовки. связующего. На международной конференции FPCM (International Conference on Flow ο ܸൌ (1) Processing in Composite Materials) были ఓ определены правила для проведения эксГде K [м2] – проницаемость (свойство периментов по определению коэффициармирующего материала, характеризующее ентов проницаемости и выработан список которые необходимо контроего способность пропускать связующее), μ pпараметров, лировать в ходе испытаний (Experimental [Па∙с] – вязкость смолы. Рис. 3. v x 1 v y v z k xx k xy k xz x p k xy k yy k yz k k k y xz yz zz p (2) 4’2014 3 НАУКА И ПРОИЗВОДСТВО ܸൌ значение давления на входе не должно превышать 2 атм (во избежание размытия волокна); ll учет радиуса подающей трубки (влияет на значение коэффициента проницаемости). Как оговаривалось ранее, существует два основных способа проведения экспериментов для определения коэффициентов проницаемости. Различаются они по способу подачи связующего. После проведения экспериментов необходим анализ результатов. Ниже описаны способы для вычисления коэффициентов проницаемости по направлению основы и утка для каждого метода. Метод 1. Подача смолы ведется с торца заготовки В ходе данного эксперимента исследуемый образец ткани помещается между двумя оснастками (с учетом требований к образцу и установке, описанными выше). Подвод связующего осуществляется с одного торца, отвод – с противоположного (рис. 5). ll Рис. 4. Общая схема заготовки. Вид сверху. Требования к образцу Анализ мирового опыта в области исследований по определению коэффициента проницаемости позволяет выделить ряд факторов, влияющих на точность проведения эксперимента (данный список подлежит расширению): ll размер образца должен быть представительным и позволять получить наглядную картину распределения фронта течения; ll толщина образца – 2,5-10 мм; ll толщина образца в ходе эксперимента должна быть постоянной (изменение не более 2%); ll содержание волокна в течение эксперимента – постоянно (изменение не более 2%). Дополнительные требования ll рекомендованная вязкость связующего 0,1-0,2 Па∙с; ܸൌ ο ܸൌ ఓ Рис. 5. При анализе результатов полученные значения по распределению фронта связующего во времени можно представить в виде графика (рис. 6). Преимущества метода 1: легкость в проведении и анализе результатов. Недостатки метода 1: необходимо проводить в два раза больше экспериментов, ο ఓ 0 K1 0 0 0 K K 0 K 2 K0 01 K 0 Рис. 6.1. Распространение фронта связующего 2 0во времени 0 K 3 0 0 K 3 మ ௫ǡ థఓ ܭ௫ ൌ ଶ ௧ మ ௫ǡ థఓ ଶ ௧ (2) (3) Рис. 6.2. Схематическое изображение квадрата скорости распространения фронта связующего. Наклон графика обозначен через переменную m ܭ௫ ൌ థఓ ଶ ݉ ܭ௫ ൌ థఓ ଶ ݉ xff, i – координата распределения фронта связующего, ϕ – содержание волокна, μ – вязкость связующего, (5) пропитки P – давление, t – время (4) (5) (4) ఓ ܸൌ ο ఓ p отдельно для К1 и К2, краевой эффект (фронт распространяется k xx k xy k xz x вдоль vxсмолы p торца pсвязующего). 1 быстрее, поток чем основной v Подача k k k yzxx kxyведется k xz xвцентр v y 2. Метод x xy yyсмолы y v v k k1 kk k k p заготовки z y xz yz zzxy yypyz и установки Подготовка y аналоv образца z гична предыдущему эксперименту. k xz k yzkzzz pПодача связующего осуществляется в центр, z отвод – по торцам изделия (рис. 7). K1 0 K 0 K K2 1 0K 0 0 ܭ௫ ൌ ோభ ோమ ோ , ܭଶ ൌ ݇ మ ோభ ோ ோభ ݇ ܭଵ ൌ , ܭଶ ൌ ݇ మ ோమ ோభ 2 మ థఓ 0 ௫0ǡ ଶ ௧ 0 0 K 3 ܭ௫ ൌ మ ௫ǡ థఓ (4) Рис. 7. (4) ଶ ௧ (5) Особенностью данного способа является учет радиуса подающей трубки R_0 при вычислении ோкоэффициентов проницаемоோమ భ сти: ܭଵ ൌ ݇ ோమ , ܭଶ ൌ ݇ ோభ ܭଵ ൌ ݇ ʣఓோబమ ସ௧ ோభ ோమ ோభ ଶ , ܭଶ ൌ ݇ ோభ ோమ ݇ ൌ బ ʣఓோబమ ோ ଶ బ ோ (6) (5) ൬ቀோభ ቁ ቀʹ݈݊ ቀோభ ቁ െ ͳቁ ͳ൰ ସ௧ బ బ Ф – содержание ткани, μ – вязкость связующего, R1 – радиус фронта потока, R0 – радиус подающей трубки, ΔP – перепад давления. Преимущества метода 2: нет краевого эффекта (равномерный фронт связующего), за один эксперимент определяются проницаемости в направлении К1 и К2. Недостатки метода 2: при расчете коэффициента проницаемости учитывается радиус подающей трубки. Мировой опыт в определении коэффициентов проницаемости (1)Тензор проницаемости является одним (1) параметров для произ основных входных ведения моделирования течения потока связующего. Но лаборатории получают различные результаты для одних и тех же материалов. Перепад значений может достигать двух порядков. В связи с этим возникла необходимость (2) создания международного эталона проницаемости. В описанной ниже работе (International Permeability Benchmark. B. Laine, S. V. Lomov, P. Henrat, Ch. Binetruy, P. Ermanni, V. Michaud, F. Trochu, H. Sol, A. Long, M. Wietgrefe, P. Beauchene, A. Endruweit, F. Gommer, E. Ruiz, S. Comas-Cardona, S. Hasanovic, G. Morren,(3) L. Bizet, J. Breard) принимали участие 18 исследовательских лабораторий со всего мира – ведущие университеты и институты из Европы и Америки, два промышленных предприятия. Измерения проводились на материалах HEXCEL (рис. 8): ll углеродная ткань (регулярное саржевое плетение 2x2), рис. 8.1; (6) థఓ ଶ ݉ ܭ௫ ൌ ோభ ൬ቀோ ቁ ቀʹ݈݊ ቀோ ቁ െ ͳቁ ͳ൰ 4 ܭଵ ൌ ݇ 0 0 0 KK 3 ܭ௫ ൌ ݇ ൌ p p k xx k xy k xz x v x vx p k xx k xy k xz x 1 1 k k k p v y k xy k yyvk yz y xy yy yz k k ky v y z xz yzv zz p k k k z xz yz zz p z z ܭ௫ ൌ ο ଶ SCIENCE & INDUSTRY Рис. 8.1. Рис. 8.2. стеклоткань (не регулярное саржевое плетение 2x2), рис. 8.2; ll непереплетенный углеродный тканевый композит (45/-45), рис. 8.3. Целью исследования было выявить причины появления высокого процента погрешности при определении значений коэффициентов проницаемости материалов и разработать единую методику, обеспечивающую высокую точность результатов. В рамках данной работы для каждого типа материала была проведена серия экспериментов по определению коэффициентов проницаемости в направлении К1 и К2. Использовались два типа экспериментов: ll метод 1 – подача смолы ведется с торца заготовки (рис. 5); ll метод 2 – подача смолы ведется в центр заготовки (рис. 7). Для каждой серии экспериментов оценивались результаты: по распределению фронта потока связующего, значению массового расхода, перепаду давления, сжатию образца и т.д. Полученные значения коэффициентов проницаемости были сведены в один график (рис. 9). Результаты лабораторий отличались на два порядка (например, значение коэффициентов проницаемости для углеродной ткани (регулярное саржевое плетение 2x2) изменялось от 4е-11 до 6е-10 м2). В связи с таким большим перепадом значений был определен список параметll Рис. 9. ров, влияющих на качество эксперимента, и откалибрована методика, при соблюдении которой удается получать стабильные результаты коэффициентов проницаемости. На рис. 10 приведены результаты измерений с учетом и без учета полученных в ходе исследования рекомендаций. Полученная в ходе данного исследования методика по определению коэффициента проницаемости является конфиденциальной. Тем не менее, принимая во внимание данное исследование и учитывая все вышесказанное, можно выделить список параметров, которые необходимо контролировать во время проведения ­экспериментов: ll параметры установки для проведения ­эксперимента: • эскиз установки; • тип проводимого эксперимента; • исходные данные (давление, массовый расход, параметры образца и т.д.); • способ обработки данных; • размер отверстия для впрыска если ­таковые имеются; • способ определения положения фронт потока; • расположение датчиков давления; • угол контакта с жидкостью; ll связующее: • независимость свойств от темпера­ туры; • химические свойства; Рис. 8.3. армирующий наполнитель: • постоянная толщина заготовки (изменение не более 2%); • объемная доля волокна (изменение не более 2%), число слоев, укладка. Приведенный список параметров является неполным и подлежит дополнению. ll Определение проницаемости в направлении К3 Наименее изученным является эксперимент по определению коэффициента проницаемости по толщине изделия, в направлении К3 (ось Z). Подготовка образца также включает в себя приформовку материала, с обеих сторон заготовки добавляется несколько слоев распределительной сетки. Это необходимо для того, чтобы обеспечить равномерное распределение связующего сначала по всей плоскости заготовки и затем сквозь толщину изделия. В ходе эксперимента исследуемый образец ткани помещается между двумя распределительными сетками. Подача связующего осуществляется вначале по всей поверхности распределительной мембраны и затем по толщине заготовки. Отвод производится с противоположного торца (рис. 11). Несмотря на все описанные выше ограничения и рекомендации к проведению экспериментов, определение коэффициентов проницаемости является крайне сложной задачей и требует знания серти- Рис. 10. 4’2014 5 НАУКА И ПРОИЗВОДСТВО Рис. 11. фицированной методики. Поэтому при проведении любых расчетов рекомендуется использовать в качестве входных данных результаты, полученные только от аккредитованных лабораторий. Методология моделирования изделий в ESI PAM-RTM Подведем итог. При проведении моделирования процесса пропитки рекомендуется придерживаться следующего плана: ll идентификация – определение свойств материалов: вязкость связующего и проницаемость ткани, ll верификация – подтверждение соответствия определенных ранее свойств материалов и отладка расчетной модели в ESI PAM-RTM. Обычно проводится на элементарном или конструктивном образце. Сравнение численных и стендовых результатов, Рис. 12. 6 проведение расчета – при проведении исследования конструкции расчетным методом рекомендовано придерживаться следующей схемы: моделирование начинается с пропитки элементарного образца, затем проводится расчет элемента, компонента и затем – расчет полного изделия (рис. 12). Все исследования ведутся на оболочечной модели. Иногда перед проведением полного расчета проводят серию численных экспериментов для трехмерной модели конструктивного элемента или компонента. Это делается в том случае, если имеется часть изделия наиболее сложная для пропитки. Такой способ позволяет оценить наличие дефектов по толщине и в итоге сокращает количество итераций до перехода к готовому изделию. После того, как параметры расчета отработаны на элементарных образцах, проводится моделирование полного изделия. Рекомендуется проводить расчет на оболочечной модели. Это требует меньшего количества времени на подготовку КЭ-модели (сравнительно небольшое количество элементов, быстрое проведение расчета). Такой подход позволяет проверить большое количество схем и, определив оптимальный цикл производства, переходить к полному моделированию на 3D-модели. Основным недостатком при расчете на оболочечной модели является невозможность оценить распределение связующего по толщине. На такой модели нельзя учесть наличие распределительной сетки и промоделировать распределение потока, характерного для процесса вакуумной инфузии. ll Трехмерная конструкция требует более трудоемкой подготовки, но дает точное описание модели, единственным недостатком является увеличение времени расчета. Но ESI PAM-RTM, единственный из программных продуктов, моделирующих процессы пропитки, имеет DMP-решатель, позволяющий быстро проводить расчет задач с большим количеством элементов. И только в этом программном обеспечении реализована возможность расчета неизотермических процессов (учет нагрева изделия, изменение вязкости связующего, полимеризация и т.д.). Таким образом, использование продуктов от ESI Group для решения задачи перехода от препреговой технологии производства к RTM-процессам позволяет избежать большого количества стендовых экспериментов. Применение численного моделирования помогает достичь высокого качества изделия и улучшить понимание процесса производства. Такой подход к созданию композитных деталей расширяет возможности проектирования, удешевляя процесс изготовления конструкций новыми технологиями и помогая изготавливать конкурентоспособные изделия из композитов. o ГК «ПЛМ Урал» – «Делкам-Урал» Россия, 620131, г. Екатеринбург, ул. Металлургов, д. 16Б Тел.: (343) 214-4670, факс: (343) 214-4676 www.delcam-ural.ru, www.esi-russia.ru
