Überblick über die Rapid-Prototyping-Technologie für Verbundwerkstoffe

Inzwischen gibt es zahlreiche Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffstrukturen, die für die Produktion verschiedener Strukturen eingesetzt werden können. Angesichts der industriellen Produktionseffizienz und der Produktionskosten in der Luft- und Raumfahrtproduktion für zivile Flugzeuge ist es jedoch dringend erforderlich, den Aushärtungsprozess zu verbessern, um Zeit und Kosten des Aushärtungsprozesses zu senken. Die Rapid-Prototyping-Technologie bietet einen kostengünstigen Ansatz, das so genannte Diskret- und Etagenpressen, das sich bereits vielfach bewährt hat. Die Rapid-Prototyping-Technologie des Formpressens, die Technologie des Flüssigformens und die Technologie des Formens von thermoplastischen Verbundwerkstoffen werden häufig eingesetzt.

Rapid-Prototyping-Verfahren für den Formenbau

Die Rapid-Prototyping-Technologie ist ein Verfahren, bei dem vorgefertigte Prepreg-Zuschnitte zur Verdichtung und Aushärtung durch Druckbeaufschlagung in Formen eingelegt werden. Die Formgebungsgeschwindigkeit ist hoch, die Genauigkeit der Produktgröße und die gleichmäßige Qualität können durch diese Technik sichergestellt werden.

Die wichtigsten Schritte der Formgebung:

1. Besorgen Sie sich eine extrem starke Metallform, die genau den Abmessungen der herzustellenden Teile entspricht; legen Sie diese in eine Presse, erhitzen Sie sie und schließen Sie den Deckel.
2. Formen und Vorformen des gewünschten Verbundwerkstoffs entsprechend seiner Form. Die Vorformung ist ein integraler Schritt, der die Leistung des fertigen Teils erhöht.
3. Schieben Sie das vorgeformte Teil in eine beheizte Form. Nach dem Erhitzen werden die Teile unter sehr hohem Druck (je nach Dicke des Teils und verwendetem Material zwischen 800 psi und 2000 psi) zusammengepresst, bis der Druck nachlässt; danach werden die Teile aus der Form genommen, sobald sie abgekühlt sind, wobei darauf zu achten ist, dass keine Grate entstehen.

Vorteile des Formpressens:

Das Formpressen hat sich aufgrund seiner zahlreichen Vorteile zu einer immer beliebteren Rapid-Prototyping-Technologie entwickelt. Einer der Hauptvorteile ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen, die im Vergleich zu Metallteilen in der Regel stärker, leichter und korrosionsbeständiger sind, wodurch Objekte mit besseren mechanischen Eigenschaften als ihre Gegenstücke aus Metall entstehen.

Das Formpressen bietet einen weiteren entscheidenden Vorteil im Vergleich zu Kunststoff-Spritzguss: Herstellung komplexer Teile. Obwohl die Produktionsgeschwindigkeit nicht an die des Spritzgießens heranreicht, bietet das Formpressen geometrischere Formen als laminierte Verbundwerkstoffe und ermöglicht längere Fasern, die das Material fester machen; es fungiert als Zwischenschritt zwischen den Herstellungsverfahren für Kunststoffspritzguss und laminierte Verbundwerkstoffe.

SMC-Formprozess

SMC steht für Sheet Molded Compound, einen künstlichen Verbundwerkstoff, der durch Formung von Platten entsteht. Zu den wichtigsten Rohstoffen gehören SMC-Spezialgarne, ungesättigte Harze mit Zusätzen für geringe Schrumpfung und Füllstoffe sowie verschiedene Additive, die erstmals in den frühen 1960er Jahren in Europa auftauchten. Ab etwa 1965 entwickelten sowohl die USA als auch Japan diese Technologie unabhängig voneinander weiter, bevor China in den späten 80er Jahren fortschrittliche SMC-Produktionslinien und -verfahren aus dem Ausland einführte.

SMC zeichnet sich durch hervorragende elektrische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, geringes Gewicht, einfache und flexible Konstruktionen und mechanische Eigenschaften aus, die mit denen einiger metallischer Werkstoffe vergleichbar sind; daher findet es breite Anwendung in der Transport-, Bau- und Elektronikindustrie.

BMC-Formprozess

1961 wurde die von der Bayer Corporation in Deutschland entwickelte ungesättigte Harz-Formmasse (SMC) eingeführt. In den 1960er Jahren begann die Förderung der Massenformmasse (Bulk Molding Compound, BMC), die in Europa auch als DMC (dough molding compound) bezeichnet wurde. In ihrer Anfangsphase (1950er Jahre) war sie nicht eingedickt; nach der Definition der Vereinigten Staaten ist BMC jedoch eingedickte BMC. Nachdem Japan die europäische Technologie übernommen hatte, erzielte es große Erfolge bei der Anwendung und Entwicklung von BMC. In den 1980er Jahren war die Technologie bereits sehr ausgereift. Bislang wurde als Matrix für BMC immer ungesättigtes Polyesterharz verwendet.

BMC gehört zu den duroplastischen Kunststoffen. Basierend auf den Materialeigenschaften wird die Zylindertemperatur des Spritzgießen Maschine darf nicht zu hoch sein, da sie den Materialfluss erleichtern soll. Daher ist es wichtig, die Zylindertemperatur während des Spritzgießprozesses von BMC zu kontrollieren. Es muss ein Kontrollsystem implementiert werden, um die richtige Temperatur zu gewährleisten, so dass die Temperatur vom Einzugsbereich bis zur Düse den optimalen Zustand erreicht.

Formgebung mit Poly(dicyclopentadien) (PDCPD).

Poly(dicyclopentadien)-Formteile (PDCPD) bestehen in der Regel aus reiner Matrize und nicht aus verstärkten Kunststoffen wie Polyurethan (PU). Das PDCPD-Verfahren wurde erstmals 1984 in seiner heutigen Form in Amerika und Japan als Vorreiter dieser Technologie eingesetzt.

Das Unternehmen Telene der Zeon Corporation in Bondues, Frankreich, hat mit der Erforschung, Entwicklung und Kommerzialisierung von PDCPD-Formmassen (RIM) bemerkenswerte Erfolge erzielt. Nachstehend finden Sie eine schematische Darstellung ihres PDCPD-Formprozesses (RIM).

RIM-Formprozesse sind im Allgemeinen einfacher und kostengünstiger zu automatisieren als andere Verfahren wie FRP-Spritzen, RTM- oder SMC-Formen; die Werkzeugkosten für PDCPD-RIM-Formen sind im Vergleich zu ihren SMC-Gegenstücken tendenziell niedriger; so wird beispielsweise für die Motorhaube des Kenworth W900L eine Nickelschale mit einem gegossenen Aluminiumkern verwendet, der ein Harz mit niedriger Dichte und einem spezifischen Gewicht von 1,03 enthält; dies senkt nicht nur die Kosten, sondern auch das Gewicht.

Direktes laminiertes Formen von faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffen (LFT-D)

Um 1990 wurde LFT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics-Direct) in Europa und den Vereinigten Staaten auf den Markt gebracht. CPI, ein US-amerikanisches Unternehmen, ist das erste Unternehmen der Welt, das Anlagen für die direkte Online-Compoundierung langfaserverstärkter Thermoplaste und die entsprechende Rapid-Prototyping-Technologie (LFT-D, Direct In Line Compounding) entwickelt hat. Es wurde 1991 in Betrieb genommen und ist auf diesem Gebiet weltweit führend. Diffenbarcher, ein deutsches Unternehmen, begann 1989 mit der Erforschung der LFT-D-Technologie.

Derzeit gibt es vor allem LFT D, Tailored LFT (lokale Verstärkung kann je nach strukturellem Spannungszustand erreicht werden), fortschrittliche Oberfläche LFT-D (sichtbare Oberfläche, hohe Oberflächenqualität) Technologien. Aus der Sicht der Produktionslinie ist das Pressenniveau von Diffenbarcher sehr hoch. Das D-LFT-Extrusionssystem von Coperion, einem deutschen Unternehmen, nimmt international eine Spitzenposition ein. Der Aufbereitungsprozess der LFT-D-Formmasse ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt.

Musterlose Gussfertigungstechnologie (PCM)

Patternless Casting Manufacturing (PCM) ist eine Entwicklung des Laser Rapid Prototyping Zentrum der Tsinghua-Universität. Es wendet die Rapid-Prototyping-Technologie auf herkömmliche Harz-Sandgussverfahren an. Zunächst wird ein CAD-Modell des Teils aus dem CAD-Modell erstellt. Die STL-Datei des CAD-Modells der Form wird in Scheiben geschnitten, um Querschnittsinformationen zu erhalten, und dann werden aus den Schichtinformationen Kontrollinformationen generiert.

Während des Formens sprüht die erste Düse computergesteuert präzise Klebstoff auf den schichtweise aufgetragenen Sand, und die zweite Düse sprüht Katalysator auf demselben Weg. Der Klebstoff und der Katalysator reagieren zusammen, härten den Sand Schicht für Schicht aus und bringen ihn in eine Form. Der Sand, bei dem Klebstoff und Katalysator zusammenwirken, wird verfestigt, während andere Teile des Sandes in einem körnigen Zustand bleiben.

Nach dem Aushärten einer Schicht wird die nächste Schicht aufgeklebt, und nachdem alle Schichten aufgeklebt sind, entsteht eine räumliche Einheit. Der ursprüngliche Sand in den Bereichen, in denen kein Klebstoff aufgesprüht wird, bleibt trockener Sand, der relativ leicht zu entfernen ist. Wenn man den nicht ausgehärteten trockenen Sand in der Mitte entfernt, erhält man eine Form mit einer bestimmten Wandstärke, die nach dem Beschichten oder Imprägnieren der Innenfläche der Form mit Farbe zum Gießen von Metall verwendet werden kann.

Der typische Aushärtungstemperaturpunkt des PCM-Verfahrens liegt bei etwa 170 °C. Die eigentliche Kaltverlegung und Kaltentformung im PCM-Verfahren unterscheidet sich geringfügig von der Formgebung. Beim Kaltauflegen und Kaltentformen werden die Prepreg-Schichten entsprechend den Anforderungen an die Produktstruktur schrittweise auf die Form aufgetragen, wenn sich die Form am kalten Ende befindet, und dann wird die Form nach Abschluss des Auflegens mit der Formpresse geschlossen, um einen bestimmten Druck zu erzeugen.

Zu diesem Zeitpunkt wird die Formtemperaturmaschine verwendet, um die Form zu erwärmen, normalerweise von Raumtemperatur auf 170°C, mit einer Erwärmungsrate von 3-5°C/min, die je nach Produkt angepasst werden kann. Die meisten davon sind Kunststoffprodukte. Wenn die Temperatur der Rapid-Prototyping-Technologie die eingestellte Temperatur erreicht hat, wird mit der Wärmeerhaltung und der Aufrechterhaltung des Drucks begonnen, um die Aushärtung des Produkts bei hoher Temperatur durchzuführen. Nach Abschluss der Aushärtung muss die Temperatur der Form mit Hilfe eines Werkzeugtemperiergeräts auf Raumtemperatur gesenkt werden, wobei die Aufheizrate 3-5°C/min beträgt, und dann kann die Form zur Teileentnahme geöffnet werden.

Technologie der Flüssigkeitsumformung

Liquid Composite Manufacturing (LCM) bezieht sich auf eine Reihe von Technologien zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, bei denen zunächst trockene Faservorformlinge in geschlossene Formhohlräume eingesetzt werden, bevor flüssiges Harz unter Druck in die Hohlräume eingebracht wird, wobei jede Faser durch Druckinfiltratoren infiltriert wird und die Zwischenräume langsam mit Fasern gefüllt werden. Im Gegensatz zum Autoklavgießen bietet das LCM-Verfahren viele Vorteile, darunter die Herstellung von Teilen mit präzisen Abmessungen und komplexen Formen bei niedrigeren Herstellungskosten und besserer Bedienbarkeit im Vergleich zu Autoklavgießern.

HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Molding) ist ein sich entwickelndes Einsatzspritzguss Technik, bei der das Harz unter hohem Druck gegengemischt und in vakuumdichte Formen injiziert wird, die mit faserverstärkten Materialien und vorgefertigten Einlegeteilen gefüllt sind, gefolgt von Harzflussfüllung, Imprägnierung, Aushärtung und Entformung zur Herstellung von Verbundwerkstoffprodukten. Durch die Verkürzung der Injektionszeiten sollen die Fertigungszeiten erheblich verkürzt und gleichzeitig Teile mit höherem Fasergehalt und höherer Leistung hergestellt werden.

Das HP-RTM-Verfahren ist eines der vielen Verbundwerkstoff-Formprozesse, die in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet sind. Es bietet die Vorteile der Rapid-Prototyping-Technologie wie niedrige Kosten, kurze Zykluszeiten und hochwertige Teileproduktion (gute Oberflächenqualität im Vergleich zu herkömmlichen RTM-Verfahren). Daher wird dieses Verfahren unter anderem in der Automobil-, Schiffbau- und Flugzeugindustrie sowie in Produktionsanlagen für landwirtschaftliche Maschinen, im Schienenverkehr und in Windkraftanlagen in großem Umfang eingesetzt.

Thermoplastische Verbundwerkstoff-Formenbau-Technologie

In jüngster Zeit sind thermoplastische Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer Vorteile wie hohe Schlagzähigkeit, Zähigkeit, Schadenstoleranz und gute Wärmebeständigkeit zu einem zentralen Thema der Forschung im Bereich der Verbundwerkstoffherstellung im In- und Ausland geworden. Das Schweißen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen wird zu einer Schlüsselmethode zur Steigerung der Produktionseffizienz, während gleichzeitig Senkung der Kosten; das Luftfahrtunternehmen Collins Aerospace schätzt, dass nicht autoklavierbare, schweißbare thermoplastische Strukturen die Herstellungszyklen 80% schneller verkürzen könnten als Metall- und Duroplast-Komponenten.

Die Verwendung der am besten geeigneten und geringsten Menge an Materialien, die Auswahl der Rapid-Prototyping-Technologie als wirtschaftlichstes Verfahren, die Platzierung des Produkts am richtigen Ort, das Erreichen des vorgegebenen Designziels und das Erreichen des idealen Leistungs-Kosten-Verhältnisses für das Produkt sind stets die Bemühungen der Praktiker im Bereich der Verbundwerkstoffe. Es ist davon auszugehen, dass in Zukunft weitere Formgebungsverfahren entwickelt werden, um die Anforderungen an das Produktionsdesign zu erfüllen.