Инфузия смоляной пленки для крупных деталей из углеродного волокна: контроль течения смолы, равномерность веса и сравнение стоимости с RTM

Введение

Крупные детали из углеродного волокна — лопасти ветряных турбин, корпуса судов, кузова вагонов и аэрокосмические обшивки — сталкиваются с производственной проблемой. Им нужны прочность и легкость композитов, но их размер делает классические процессы неудобными. Автоклавный препрег дорог и ограничен размерами автоклава. Вакуумная инфузия смолы (RTM) требует парной жесткой формы, которую дорого строить в большом масштабе. Вакуумная инфузия дешева, но трудно контролирует вес потока на большой площади, поэтому вес и объемная доля волокна дрейфуют от детали к детали.

Инфузия смоляной пленки (RFI) находится между этими вариантами. Твердая смоляная пленка укладывается в форму, сухой стек углеродного волокна помещается сверху, и под вакуумом и нагревом смола плавится и течет вверх через толщину ламината. Поскольку смола уже находится внутри формы в контролируемом количестве, RFI дает равномерность веса закрытого процесса с низкой стоимостью оснастки открытого. В этой статье объясняется, как RFI контролирует течение смолы, почему она дает равномерный вес детали на крупных деталях и как ее стоимость сравнивается с RTM.

Как работает инфузия смоляной пленки

RFI — это процесс с односторонней оснасткой. Твердая смоляная пленка — тонкий лист неотвержденной эпоксидной или другой термореактивной смолы — укладывается на поверхность формы. Сухой преформ или стек углеродного волокна помещается поверх пленки. Вся сборка вакуумируется. Под ваку и нагреве пленка плавится, и перепад давления гонит жидкую смолу вверх через толщину стека волокна, смачивая волокна по мере подъема.

Две особенности отличают RFI от жидкой инфузии. Во-первых, количество смолы точно задается толщиной и площадью пленки, поэтому объемная доля волокна устанавливается конструкцией, а не капризами потока. Во-вторых, путь потока короткий и вертикальный — через толщину стека — а не длинный и горизонтальный поперек детали. Короткие пути потока означают меньше сухих пятен, меньше опережающего течения и гораздо меньшую зависимость от вязкости смолы и проницаемости, чем при длинной горизонтальной инфузии.

Контроль течения смолы в RFI

Контроль течения смолы в RFI сводится к управлению вертикальным фронтом потока и температурой. Смола должна плавиться и течь равномерно по всей поверхности и должна полностью смочить волокна до того, как загелируется. Три фактора управляют процессом. Пленка должна быть равномерной по толщине, потому что тонкое место рискует сухими пятнами, а толстое доставляет избыток смолы. Температурный профиль должен контролироваться, чтобы смола достигла окна минимальной вязкости и потекла до начала отверждения. Вакуум должен поддерживаться, чтобы разность давлений обеспечивала полное течение без захвата воздуха.

Поскольку путь потока короткий, RFI гораздо более терпим к вязкости смолы, чем горизонтальная инфузия. Смола, слишком вязкая для длинного пути, все равно смочит короткий вертикальный путь. Это расширяет окно применимых смол и позволяет производителям использовать более прочные высокоэффективные смолы, которые было бы непрактично вводить по длинной горизонтальной инфузии на крупной детали.

Равномерность веса и объемная доля волокна

Равномерность веса — это то, где RFI заслуживает свою репутацию на крупных деталях. При длинной горизонтальной инфузии фронт смолы путешествует поперек детали, и к моменту достижения дальнего конца он теряет давление и набирает смолу, поэтому дальний конец часто недопитан или перепитан. В RFI каждая точка ламината получает смолу из пленки прямо под ней, поэтому распределение смолы равномерно по построению. Результат — постоянная объемная доля волокна и постоянный вес детали от детали к детали.

Это важно по двум причинам. Во-первых, структурные характеристики: объемная доля волокна напрямую задает жесткость и прочность ламината, поэтому равномерная доля означает деталь, которая соответствует проектным допускам везде, а не только в хорошо пропитанных зонах. Во-вторых, контроль веса: в аэрокосмических и судовых деталях, где вес является спецификацией, равномерный вес в пределах допуска избегает и перевеса, и риска недовеса. Приведенная ниже таблица сравнивает RFI с RTM и вакуумной инфузией по ключевым показателям для крупных деталей.

Показатель	Инфузия смоляной пленки	RTM	Вакуумная инфузия
Стоимость оснастки	Низкая (односторонняя)	Высокая (парная форма)	Низкая (односторонняя)
Равномерность веса	Отличная	Отличная	Умеренная
Объемная доля волокна	50-60%	55-65%	45-55%
Длина пути потока	Короткая (по толщине)	Короткая и средняя	Длинная (поперек детали)
Терпимость к вязкости смолы	Широкая	Узкая	Узкая
Предел размера детали	Ограничен оснасткой и печью	Ограничен размером формы	Очень большие возможны

RFI обычно достигает объемной доли волокна 50-60%, немного ниже RTM (55-65%), но выше вакуумной инфузии (45-55%), и делает это с односторонней оснасткой.

Сравнение стоимости с RTM

Разница в стоимости между RFI и RTM определяется оснасткой. RTM требует парной двусторонней формы, выдерживающей давление инжекции, что в большом масштабе означает тяжелую, дорогую стальную или композитную оснастку. RFI использует одностороннюю оснастку, как вакуумная инфузия, поэтому стоимость оснастки — лишь доля от RTM. Для крупной детали — корпуса, лопасти, панели кузова — разница в оснастке может быть решающим фактором между двумя процессами.

Преимущества RTM — более высокая объемная доля волокна и более быстрое время цикла, поскольку смола вводится под давлением и деталь можно быстро извлечь. Преимущества RFI — более низкая стоимость оснастки, более простой процесс и лучшая толерантность к высокоэффективным смолам. Для низко- и среднесерийных крупных деталей RFI обычно является вариантом с более низкой общей стоимостью; для высоких объемов мелких деталей, где доминирует время цикла, выигрывает RTM. Приведенная ниже таблица обобщает факторы стоимости.

• Оснастка: RFI использует одностороннюю оснастку; RTM требует парную форму. Стоимость оснастки — доминирующий фактор в большом масштабе.
• Время цикла: RTM отверждается быстрее под давлением; RFI зависит от печи, поэтому цикл длиннее.
• Стоимость смолы: RFI использует смоляную пленку, которая дороже за килограмм, чем смола, но меньше отходов.
• Труд: укладка RFI проще, чем настройка инжекции RTM, что снижает труд на деталь.
• Масштабируемость: RTM масштабируется до высоких серий; RFI лучше всего для низких и средних серий.

Для крупной детали, производимой сотнями в год, экономия на оснастке RFI обычно перевешивает более длинный цикл, делая ее в целом более дешевым процессом.

Применения и практические соображения

RFI используется там, где нужны крупные плоские или слегка изогнутые детали с равномерным качеством и без стоимости парной формы. Типичные применения включают лонжероны и оболочки лопастей ветряных турбин, корпуса и палубы судов, панели кузовов вагонов и грузовиков, а также аэрокосмические обшивки и стрингеры. RFI также естественно подходит для совместного отверждения, когда смоляная пленка может соединить обшивку со стрингером или ребром в одном цикле.

Практические соображения включают необходимость печи или нагретой оснастки, достаточно большой для детали, осторожное обращение с пленкой для избежания складок и захвата воздуха, а также систему смолы, чей диапазон вязкости соответствует размеру детали и времени отверждения. Поскольку пленка размещается до укладки, RFI также требует чистой, контролируемой среды укладки, чтобы пленка и волокна оставались чистыми.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между инфузией смоляной пленки и вакуумной инфузией?

В вакуумной инфузии жидкая смола втягивается снаружи поперек поверхности детали, течет горизонтально через волокно. В RFI смоляная пленка размещается внутри формы как твердая, и смола течет вертикально через волокна при нагреве. RFI дает более точную равномерность веса и контроль толщины волокна, потому что количество смолы фиксировано пленкой, а короткий вертикальный путь более терпим к вязкости смолы.

Можно ли использовать RFI с препрегом или только с сухим волокном?

RFI предназначен для сухого волокна. Сухой стек углеродного волокна кладется поверх смоляной пленки, и смола течет вверх через него при отверждении. Если у вас уже есть препрег, RFI не нужен — смола уже в препреге. RFI — это альтернатива, когда вы хотите преимущества сухого волокна по стоимости и обращению с контролируемым содержанием смолы пленки.

Какую объемную долю волокна может достичь RFI?

RFI обычно достигает объемной доли волокна 50-60%, в зависимости от архитектуры волокна и толщины пленки. Это немного ниже RTM (55-60%), но сравнимо с вакуумной инфузией (45-55%). Точное значение задается соотношением толщины пленки к толщине стека волокна, поэтому оно определяется конструкцией, а не поведением потока.

Подходит ли RFI для очень крупных деталей, таких как лопасти ветряных турбин?

Да, RFI хорошо подходит для крупных деталей и используется для лонжеронов лопастей и других крупных структур. Основное ограничение — размер печи или нагретой оснастки, а не сам процесс. Поскольку путь потока короткий и вертикальный, RFI не страдает от проблем длины потока, ограничивающих длинную инфузию, поэтому он масштабируется до очень крупных деталей лучше, чем жидкая инфузия.

Заключение

Инфузия смоляной пленки дает крупным деталям из углеродного волокна равномерность веса закрытого процесса с экономией оснастки открытого. Помещая смолу внутрь формы как пленку и гоняя ее вертикально через волокна, RFI точно контролирует течение смолы, удерживает объемную долю волокна в узком допуске и избегает проблем пути потока, которые мучают длинную горизонтальную инфузию. По сравнению с RTM, RFI обменивает немного более низкую объемную долю волокна и более длинный цикл на гораздо более низкую стоимость оснастки — обмен, который выигрывает для крупных низко- и среднесерийных деталей.

Котируете ли вы корпус, лонжерон лопасти или панель кузова, сухое волокно, с которого вы начинаете, определяет качество ламината RFI. Изучите наши углеродные ткани и препреги со стабильной поверхностной плотностью и химией шлихты или свяжитесь с нашей инженерной командой, чтобы выбрать правильное армирование для вашей программы инфузии смоляной пленки.