De inductielastechnologie voor thermoplastische koolstofvezelcomposieten bevindt zich nog in de beginfase.
De mondiale economische neergang, gekoppeld aan potentiële significante veranderingen in de internationale situatie en de verzadiging van de vraag naar koolstofvezels uit het lagere segment, bepalen gezamenlijk de inkrimping van de mondiale koolstofvezelmarkt. Dit is echter niet het uiteindelijke resultaat. De prestaties van koolstofvezels uit het midden- tot hogere segment blijven essentieel voor sectoren als de lucht- en ruimtevaart, de medische sector en de automobielindustrie. Bovendien zijn de toepassingsvooruitzichten van thermoplastische koolstofvezelcomposieten vanuit milieuoogpunt veelbelovend. Thermoplastische koolstofvezel kan meerdere keren worden hervormd en de verwerking ervan kan op intelligente wijze worden geregeld. In de toekomst zullen industriële componenten voor vliegtuigen en ruimtevaartuigen dit waarschijnlijk als basismateriaal gebruiken.
Om betere prestaties te bereiken met thermoplastische koolstofvezelcomponenten moeten ze, naast productie op maat, ook post-forming verwerkbaarheidskenmerken bezitten, zoals lassen. Dit artikel introduceert kennis met betrekking tot het lassen van industriële componenten van thermoplastische koolstofvezels, met bijzondere aandacht voor inductielassen.
Inleiding tot vijf lasmethoden voor thermoplastische koolstofvezelcomposieten
In tegenstelling tot thermohardende composieten kunnen thermoplastische composieten na het vormen nog steeds smelten. De verbinding van thermoplastische koolstofvezelonderdelen kan worden bereikt door secundair smelten en druk uitoefenen, wat kan worden beschouwd als een lasproces. Momenteel omvatten veelgebruikte lastechnieken voor thermoplastische koolstofvezelcomposieten heetgas-, weerstands-, ultrasoon-, inductie- en laserlassen. Elke lasmethode heeft zijn voor- en nadelen, en de keuze van de methode moet gebaseerd zijn op verschillende scenario's en vereisten.
1. Heetgaslassen:
Beschrijving: Bij heetgaslassen wordt gebruik gemaakt van een stroom heet gas (meestal stikstof) om de thermoplastische materialen bij de verbinding te smelten en samen te smelten.
Proces: Het oppervlak van de materialen wordt verwarmd met heet gas en er wordt druk uitgeoefend om ze met elkaar te verbinden.
Voordelen: Er is nauwkeurige controle over temperatuur en druk, waardoor het geschikt is voor diverse thermoplastische composieten.
Overwegingen: Er moet voor worden gezorgd dat oververhitting en beschadiging van de koolstofvezel wordt voorkomen.
2. Weerstandslassen:
Beschrijving: Bij weerstandslassen wordt een elektrische stroom door de materialen geleid, waardoor warmte bij de verbinding ontstaat.
Proces: Twee componenten worden tegen elkaar gedrukt en de stroom vloeit door de verbinding, waardoor plaatselijke verwarming ontstaat.
Voordelen: Het proces is snel, geschikt voor grote constructies en kan worden geautomatiseerd.
Overwegingen: De materialen moeten voldoende geleidbaarheid bezitten en er bestaat gevaar voor plaatselijke oververhitting.
3. Ultrasoon lassen:
Beschrijving: Ultrasoon lassen maakt gebruik van hoogfrequente trillingen om warmte te genereren bij de verbinding, waardoor de thermoplastische materialen smelten en samensmelten.
Proces: Er worden ultrasone trillingen op het grensvlak toegepast, waardoor plaatselijke verhitting en hechting ontstaat.
Voordelen: De verwerkingssnelheid is hoog, waardoor het geschikt is voor kleine en complexe onderdelen, met minimale thermische impact op de omliggende gebieden.
Overwegingen: De juiste frequentie- en amplitude-instellingen zijn van cruciaal belang, en deze methode is mogelijk niet geschikt voor alle thermoplastische composieten.
4. Inductielassen:
Beschrijving: Inductielassen maakt gebruik van elektromagnetische inductie om de thermoplastische materialen bij de verbinding te verwarmen.
Proces: Een inductiespoel induceert warmte in de materialen, waardoor een plaatselijke smeltzone ontstaat voor het lassen.
Voordelen: Er is nauwkeurige controle over de verwarming, waardoor deze geschikt is voor grote constructies met minimale impact op de omliggende gebieden.
Overwegingen: De materialen moeten voldoende geleidbaarheid hebben en deze methode is niet universeel toepasbaar.
5.Laserlassen:
Beschrijving: Laserlassen maakt gebruik van een zeer gerichte laserstraal om de materialen bij de verbinding te verwarmen en te smelten, waardoor een hechting ontstaat terwijl ze afkoelen.
Proces: De laserstraal wordt op het grensvlak gericht, waardoor het thermoplastische materiaal snel wordt verwarmd. De componenten worden vervolgens tegen elkaar gedrukt en vormen een las terwijl deze stolt.
Voordelen: Laserlassen biedt hoge precisie en controle over de thermische input, relatief hoge lassnelheden en is geschikt voor massaproductie. Het creëert minimale door hitte beïnvloede zones, behoudt de materiaaleigenschappen en vormt een lager risico op besmetting.
Overwegingen: Tijdens het laserlassen moet erop worden gelet dat de koolstofvezel tegen oververhitting wordt beschermd om schade te voorkomen.
Volwassen inductielastechnologie voor thermoplastische koolstofvezels komt de lucht- en ruimtevaartindustrie ten goede
Inductielastechnologie is bijzonder geschikt voor het verbinden van met koolstofvezels versterkte thermoplastische composietstructuren. Omdat koolstofvezel geleidend is en wervelstromen kan genereren bij blootstelling aan een wisselend magnetisch veld, is het niet nodig om extra inductiematerialen te gebruiken bij het lassen van met koolstofvezels versterkte thermoplastische composieten.
Naarmate de productietechnologie voor thermoplastische composieten voor de lucht- en ruimtevaart volwassener wordt en de productiekosten dalen, zal de toepassing ervan in de lucht- en ruimtevaartproductie aanzienlijk toenemen. Bovendien vereist de complexe structuur van lucht- en ruimtevaartcomponenten dat eenvoudige onderdelen via verbindingstechnologieën tot een geheel moeten worden samengevoegd. Daarom is het ontwikkelen van lastechnologieën voor thermoplastische composieten uit de lucht- en ruimtevaart, inclusief inductielassen, een dringende behoefte geworden in het geavanceerde onderzoek naar de vliegtuigbouw, en het zal in de toekomst een langetermijntaak blijven.
Momenteel wordt de inductielastechnologie voor thermoplastische koolstofvezel geconfronteerd met uitdagingen zoals een lage volwassenheid en het feit dat deze nog niet in de fase van het technische prototype en de praktische producttoepassing is beland. Het onderzoek naar inductielassen van thermoplastische composieten voor burgerluchtvaartuigen bevindt zich echter nog in de beginfase in het buitenland, waarbij verschillende sleuteltechnologieën op doorbraken wachten. De technologische kloof tussen landen is niet erg uitgesproken. Daarom moet China de ontwikkelings- en toepassingsinspanningen op dit gebied versnellen om de kloof met buitenlandse geavanceerde materialen en productietechnologieën voor vliegtuigen te verkleinen. Alleen door de kerntechnologieën echt onder de knie te krijgen, kunnen we de binnenlandse lucht- en ruimtevaartindustrie ten goede komen.
Onderzoeksvoortgang bij inductielassen van thermoplastische CF/PPS-composieten in China
Sommige onderzoeksteams hebben de effecten van lasvermogen en -tijd op de lap-shear sterkte (LSS) bestudeerd met behulp van een puntlasaanpak. Ze onderzochten ook de haalbaarheid van verschillende geïmplanteerde lagen voor inductielassen van CF/PPS thermoplastische composieten. Uit het onderzoek bleek dat overmatig lasvermogen of een langere lastijd tot oververhitting van de monsters kunnen leiden, resulterend in chemische reacties zoals verknoping, oxidatie en afbraak van de harsmatrix, waardoor de mechanische eigenschappen van de lasverbindingen aanzienlijk worden verminderd en zelfs de interne eigenschappen van de composieten.
1. Maximale tijdgegevens voor inductielassen van CF/PPS-composieten
Experimentele resultaten geven aan dat wanneer het relatieve vermogen binnen het bereik van 400 tot 800 ligt, de tussenlaag de hoogste temperatuurstijging vertoont. Naarmate het relatieve vermogen toeneemt, wordt de temperatuurstijging sneller en vindt de rooktijd eerder plaats. Wanneer de lastijd een bepaalde waarde overschrijdt, zal er onvermijdelijk rook verschijnen in het midden van de panelen. Het optreden van roken is voornamelijk te wijten aan de afbraak van de hars of de vervluchtiging van resterende kleine moleculen, die beide een negatieve invloed kunnen hebben op de laskwaliteit en de hechtingsprestaties tussen de twee panelen. Daarom is het noodzakelijk om deze situatie te vermijden.
2. Effecten van lasvermogen en tijd op schuifsterkte (LSS)
Op twee CF/PPS-composietmaterialen werd inductielassen uitgevoerd met behulp van een puntlasmethode, gevolgd door het uitoefenen van druk met rollen na verwarming. De resulterende afschuifsterkte (LSS) werd getest. De resultaten geven aan dat tijdens het inductielasproces, vanwege de relatief korte lastijd, de uitstroom van hars niet ernstig is, waardoor het lasoppervlak een bepaalde hoeveelheid hars kan vasthouden. Bij een relatief vermogen van 500 bereikt de waarde van de schuifsterkte (LSS) zijn maximum bij een verwarmingstijd van 65 seconden, wat aangeeft dat de verwarmingstijd niet te kort en niet te lang mag zijn.
3. Effect van implantaatlaag op schuifsterkte (LSS)
Met behulp van twee CF/PPS-composietmaterialen, samen met een CF/PPS-prepreg die dezelfde specificaties heeft (dezelfde grondstoffen, stofvorm, vezelvolume-inhoud, etc.) als de composieten, werd een implantaatlaag gebruikt voor puntlassen. De resultaten geven aan dat de toevoeging van de implantaatlaag in het algemeen leidde tot een afname van de schuifsterkte (LSS), wat kan worden toegeschreven aan het feit dat de implantaatlaag de warmteontwikkeling en -geleiding beperkt; de maximale LSS bereikte echter nog steeds 24,8 MPa.
