Ontwikkeling van thermoplastische composieten door aangepaste plaatsing van vezels voor optimaal gebruik

Sirris is betrokken bij een Europees project met als doelstelling een nieuw concept te ontwikkelen van een composiet met een complexe en geoptimaliseerde geometrie. Het berust in feite op de combinatie van meerdere technologieën, gaande van een aangepaste plaatsing van de vezels voor de voorvorm tot de productie van de mal voor de incrementele vormverwerking van een plaat.

De ontwikkeling van met vezels versterkte thermoplasten is de laatste jaren aanzienlijk toegenomen, omdat deze materialen een hoge slagvastheid en taaiheid hebben naast korte verwerkingscycli en een goede recycleerbaarheid. 

Sirris verwierf over de jaren heen een behoorlijke knowhow in verband met dit soort materialen.

Om optimalisatie van de grondstoffen en rendement van een volledige productieketen te bereiken moet men zich buigen, in een holistische benadering, over de optimalisatie van de distributie van de vezels, de productie van gereedschappen en het procedé van de vormverwerking. Zo moet de weerslag van elke fase afzonderlijk geïdentificeerd en in rekening worden genomen.

Onlangs werd een Cornet-project (Tailcomp) uitgewerkt met twee Duitse centra, het IPF in Dresden en de Fraunhofer IWU in Chemnitz om de voordelen van thermoplastische composieten te combineren met die van innovatieve productietechnologieën.

Het eerste praktijkvoorbeeld dat gekozen is om de concepten af te toetsen, is namelijk een koersfietszadel. Aangezien Sirris al eerder betrokken was bij fietstesten voor het UCI, heeft zij de data kunnen leveren voor de methoden van aanpak van dit product.

Impregneren van de vezels met thermoplasten is moeilijk door de smeltviscositeit van de matrix. Daardoor is een van de werkmethoden om de TP en de versterkingsvezels te mengen. In dit project produceerde het IPF draden die polybutyleentereftalaat (PBT) en glasvezels combineren om hoge mechanische prestaties tot stand te brengen. Met dit materiaal heeft het centrum voorvormen in textiel geproduceerd met behulp van een TFP-techniek (Tailored Fibre Placement) geïnspireerd op borduurwerk, dat bestaat uit het afzetten van vezels met de voor de toepassing vereiste oriëntatie, afhankelijk van de krachten die men zal verlangen van het product in de praktijk

Om deze voorvormen te consolideren maakte de Fraunhofer IWU lichte en tegelijk goedkope mallen met behulp van een incrementele vormgevingstechniek, volgens het principe dat om een plaat lokaal te vervormen dit geleidelijk moet gebeuren met een spinbewerking.

Sirris heeft in zijn autoclaaf de verschillende preforms op de matrijzen onder druk aan hoge temperatuur ingebracht. Zij ontdekten dat het materiaal veel gemakkelijker aan de gewenste geometrie voldeed dan wanneer de wapening een conventioneel geweven weefsel was, waarvan de vervormbaarheid veel minder goed was en veel testen vereiste om tot een resultaat te komen.

Een andere moeilijkheid om onder controle te krijgen is de relatief hoge temperatuur die men inzet bij PBT wat dan diverse technologische problemen stelt, onder andere wat betreft de ‘consumables’ die op hun beurt bestand moeten zijn tegen dezelfde condities.

Sirris heeft ook met een 3D-scanner de afwijkingen gemeten tussen de gerealiseerde producten en de originele CAD ervan en heeft kunnen aantonen dat 80% kwam van de mal en 20% van het gietproces (krimp, …)

Deze onderzoeken geven duidelijk aan hoeveel interacties er zijn tussen de opeenvolgende fasen van de productieketen van een thermoplastische composiet. Sommige daarvan zijn al gekend in de industrie voor thermische verharding, maar wanneer de technologieën meer “fysisch” worden (temperatuur …) dan “chemisch” (vervlechting) spelen andere effecten mee die men onder controle dient te krijgen.

De bewerking in een autoclaaf is vrij gekend door de mogelijkheid om complexe 3D-componenten te produceren, maar deze oplossing is duur. Een tweede fase van het project bestaat erin dezelfde voorvormen tot stand te brengen in een “vacuümzak”-procedé, wat de economische prestatie verhoogt maar met volledig behoud van de mechanische eigenschappen van het eindproduct.

Een tweede praktijkvoorbeeld met een heel ander niveau van complexiteit is ook nog voorzien. Het betreft een medische orthese uitgevoerd op basis van een voorvorm op maat, geconfigureerd op een pleistermal voor eenmalig gebruik.

Tags: