As matérias-primas de materiais compostos incluem resina, fibra e material de núcleo, etc.Existem muitas opções, e cada material tem sua resistência, rigidez, tenacidade e estabilidade térmica únicas, e seu custo e produção também são diferentes.
No entanto, o material compósito como um todo, seu desempenho final não está apenas relacionado à matriz de resina e fibras (e o material do núcleo na estrutura do sanduíche), mas também intimamente relacionado ao método de projeto e processo de fabricação dos materiais na estrutura .
Este artigo apresentará os métodos de fabricação de compósitos comumente usados, os principais fatores de influência de cada método e como escolher matérias-primas para diferentes processos.
Descrição do método:Um processo de moldagem no qual o material reforçado com fibra cortada e o sistema de resina são pulverizados no molde ao mesmo tempo e, em seguida, curados sob pressão normal para formar um produto composto termoendurecível.
seleção de materiais:
Resina: principalmente poliéster
Fibra: fio grosso de fibra de vidro
Material do núcleo: Nenhum, precisa ser combinado com laminados separadamente
A principal vantagem:
1) O artesanato tem uma longa história
2) Baixo custo, rápida colocação de fibra e resina
3) Baixo custo do molde
Principais desvantagens:
1) A placa laminada é fácil de formar uma área enriquecida com resina e o peso é relativamente alto
2) Somente fibras cortadas podem ser usadas, o que limita severamente as propriedades mecânicas dos laminados
3) Para facilitar a pulverização, a viscosidade da resina precisa ser baixa o suficiente para perder as propriedades mecânicas e térmicas do material compósito
4) Alto teor de estireno na resina de pulverização significa maiores riscos potenciais para os operadores, e baixa viscosidade significa que a resina é fácil de penetrar nas roupas de trabalho dos funcionários e entrar em contato direto com a pele
5) A concentração de estireno volatilizado no ar é difícil de atender aos requisitos legais
aplicação típica:
Cercas simples, painéis estruturais de baixa carga, como carrocerias conversíveis, carenagens de caminhões, banheiras e pequenos barcos
Descrição do método:Impregnar manualmente as fibras com resina.As fibras podem ser reforçadas por tecelagem, entrançamento, costura ou colagem.O lay-up manual geralmente é feito com rolos ou pincéis e, em seguida, a resina é espremida com um rolo de borracha para penetrar nas fibras.Os laminados foram curados sob pressão normal.
seleção de materiais:
Resina: nenhuma exigência, epóxi, poliéster, polivinil éster, resina fenólica são aceitáveis
Fibra: Não há exigência, mas a fibra de aramida com peso base maior é difícil de infiltrar manualmente
Material do núcleo: nenhuma exigência
A principal vantagem:
1) O artesanato tem uma longa história
2) Fácil de aprender
3) Se for usada resina de cura em temperatura ambiente, o custo do molde é baixo
4) Grande seleção de materiais e fornecedores
5) Alto teor de fibras, as fibras utilizadas são mais longas do que o processo de pulverização
Principais desvantagens:
1) A mistura de resina, o teor de resina e a qualidade dos laminados estão intimamente relacionados à proficiência dos operadores, é difícil obter laminados com baixo teor de resina e baixa porosidade
2) Os riscos à saúde e segurança da resina.Quanto menor o peso molecular da resina de colocação manual, maior a ameaça potencial à saúde.Quanto menor a viscosidade, mais fácil é a resina penetrar nas roupas de trabalho dos funcionários e entrar em contato direto com a pele
3) Se um bom equipamento de ventilação não for instalado, a concentração de estireno volatilizado de poliéster e polivinil éster no ar é difícil de atender aos requisitos legais
4) A viscosidade da resina hand lay-up precisa ser muito baixa, portanto o teor de estireno ou outros solventes deve ser alto, perdendo assim as propriedades mecânicas/térmicas do material compósito
Aplicações típicas:pás de turbina eólica padrão, barcos produzidos em massa, modelos arquitetônicos
Descrição do método:O processo do saco a vácuo é uma extensão do processo de colocação manual acima mencionado, ou seja, uma camada de filme plástico é selada no molde para aspirar o laminado feito à mão e uma pressão atmosférica é aplicada ao laminado para obter o efeito de exaustão e compactação.Para melhorar a qualidade dos materiais compostos.
seleção de materiais:
Resina: principalmente resina epóxi e fenólica, poliéster e éster polivinílico não são adequados porque contêm estireno, que se volatiliza na bomba de vácuo
Fibra: Sem exigência, mesmo as fibras com grande gramatura podem ser umedecidas sob pressão
Material do núcleo: nenhuma exigência
A principal vantagem:
1) Pode atingir um teor de fibra mais alto do que o processo manual padrão
2) A porosidade é menor do que o processo manual padrão
3) Na condição de pressão negativa, o fluxo total da resina melhora o grau de umedecimento das fibras.Claro, parte da resina será absorvida pelos consumíveis de vácuo
4) Saúde e Segurança: O processo do saco a vácuo pode reduzir a liberação de voláteis durante a cura
Principais desvantagens:
1) Processos adicionais aumentam o custo de mão de obra e materiais descartáveis para sacos a vácuo
2) Requisitos técnicos mais elevados para os operadores
3) O controle da mistura de resina e do teor de resina depende em grande parte da proficiência do operador
4) Embora a bolsa a vácuo reduza a liberação de voláteis, a ameaça à saúde do operador ainda é maior do que a da infusão ou do processo de prepreg
Aplicações típicas:iates de edição limitada em grande escala, peças de carros de corrida, colagem de materiais básicos na construção naval
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Descrição do método:O processo de bobinagem é basicamente utilizado para fabricar peças estruturais ocas, redondas ou ovais, como tubos e tanques.Depois que o feixe de fibras é impregnado com resina, ele é enrolado no mandril em várias direções, e o processo é controlado pela máquina de enrolamento e pela velocidade do mandril.
seleção de materiais:
Resina: nenhuma exigência, como epóxi, poliéster, polivinil éster e resina fenólica, etc.
Fibra: sem necessidade, use diretamente o feixe de fibra do cesto, sem necessidade de tecer ou costurar em tecido de fibra
Material do núcleo: nenhum requisito, mas a pele geralmente é um material composto de camada única
A principal vantagem:
1) A velocidade de produção é rápida e é um método de estratificação econômico e razoável
2) O teor de resina pode ser controlado medindo a quantidade de resina transportada pelo feixe de fibras que passa pelo tanque de resina
3) Minimize o custo da fibra, sem processo de tecelagem intermediário
4) O desempenho estrutural é excelente, porque os feixes de fibras lineares podem ser colocados em várias direções de suporte de carga
As principais desvantagens:
1) Este processo é limitado a estruturas ocas circulares
2) As fibras não são fáceis de serem dispostas com precisão ao longo da direção axial do componente
3) O custo do molde macho de mandril para grandes peças estruturais é relativamente alto
4) A superfície externa da estrutura não é a superfície do molde, então a estética é ruim
5) Ao usar resina de baixa viscosidade, deve-se prestar atenção ao desempenho químico e ao desempenho de saúde e segurança
Aplicações típicas:tanques de armazenamento de produtos químicos e tubos de entrega, cilindros, tanques de respiração de bombeiros
Descrição do método:O feixe de fibras retirado do cesto é mergulhado e passado através da placa de aquecimento, e a resina é infiltrada na fibra na placa de aquecimento, e o teor de resina é controlado e, finalmente, o material é curado na forma desejada;este produto curado de formato fixo é cortado mecanicamente em vários comprimentos.As fibras também podem entrar na placa quente em direções diferentes de 0 graus.
A pultrusão é um processo produtivo contínuo, e a seção transversal do produto costuma ter uma forma fixa, permitindo pequenas alterações.Fixe o material pré-molhado passando pela placa quente e espalhe-o no molde para cura imediata.Embora esse processo tenha pouca continuidade, ele pode alterar a forma da seção transversal.
seleção de materiais:
Resina: geralmente epóxi, poliéster, éster polivinílico e resina fenólica, etc.
Fibra: sem exigência
Material do núcleo: não comumente usado
A principal vantagem:
1) A velocidade de produção é rápida e é uma maneira econômica e razoável de pré-molhar e curar materiais
2) Controle preciso do teor de resina
3) Minimize o custo da fibra, sem processo de tecelagem intermediário
4) Excelente desempenho estrutural, pois os feixes de fibras são dispostos em linha reta e a fração volumétrica de fibras é alta
5) A área de infiltração de fibra pode ser completamente selada para reduzir a liberação de voláteis
Principais desvantagens:
1) Este processo limita a forma da seção transversal
2) O custo da placa de aquecimento é relativamente alto
Aplicações típicas:Vigas e treliças para estruturas de casas, pontes, escadas e cercas
6. Moldagem por Transferência de Resina (RTM)
Descrição do método:Coloque as fibras secas no molde inferior, aplique pressão com antecedência para que as fibras se ajustem ao formato do molde o máximo possível e cole-as;em seguida, fixe o molde superior no molde inferior para formar uma cavidade e, em seguida, injete a resina na cavidade do molde.
A injeção de resina assistida a vácuo e a infiltração de fibras são normalmente utilizadas, nomeadamente o processo de infusão de resina assistida por vácuo (VARI).Uma vez que a infiltração da fibra está completa, a válvula de introdução da resina é fechada e o compósito é curado.A injeção e a cura da resina podem ser feitas à temperatura ambiente ou sob condições de aquecimento.
seleção de materiais:
Resina: geralmente epóxi, poliéster, éster polivinílico e resina fenólica, resina bismaleimida pode ser usada em alta temperatura
Fibra: Nenhuma exigência.Fibras costuradas são mais adequadas para este processo porque as folgas dos feixes de fibras facilitam a transferência da resina;possui fibras especialmente desenvolvidas para facilitar o escoamento da resina
Material do núcleo: espuma de favo de mel não é adequada, porque as células de favo de mel serão preenchidas com resina e a pressão causará o colapso da espuma
A principal vantagem:
1) Fração de alto volume de fibra e baixa porosidade
2) Uma vez que a resina é completamente selada, é saudável e segura, e o ambiente operacional é limpo e arrumado
3) Reduza o uso de mão de obra
4) Os lados superior e inferior da parte estrutural são superfícies de molde, o que facilita o tratamento de superfície subsequente
As principais desvantagens:
1) O molde usado em conjunto é caro, e para suportar uma pressão maior, é pesado e relativamente incômodo
2) Limitado à fabricação de peças pequenas
3) Áreas não molhadas são propensas a aparecer, resultando em uma grande quantidade de sucata
Aplicações típicas:ônibus espacial pequeno e complexo e autopeças, assentos de trem
7. Outros processos de perfusão – SCRIMP, RIFT, VARTM, etc.
Descrição do método:Coloque as fibras secas de maneira semelhante ao processo RTM e, em seguida, coloque o pano de liberação e a rede de drenagem.Após a conclusão do lay-up, ele é completamente selado com um saco de vácuo e, quando o vácuo atinge um determinado requisito, a resina é introduzida em toda a estrutura do lay-up.A distribuição da resina no laminado é conseguida guiando o fluxo de resina através da rede guia e, finalmente, as fibras secas são completamente infiltradas de cima para baixo.
seleção de materiais:
Resina: geralmente epóxi, poliéster, resina de éster polivinílico
Fibra: Qualquer fibra comum.As fibras costuradas são mais adequadas para este processo, pois as folgas dos feixes de fibras aceleram a transferência da resina
Material do núcleo: espuma de favo de mel não aplicável
A principal vantagem:
1) Igual ao processo RTM, mas apenas um lado é a superfície do molde
2) Um lado do molde é um saco a vácuo, o que economiza muito o custo do molde e reduz a necessidade de resistência do molde à pressão
3) Grandes peças estruturais também podem ter alta fração de volume de fibra e baixa porosidade
4) O molde de processo manual padrão pode ser usado para este processo após a modificação
5) A estrutura do sanduíche pode ser moldada de uma só vez
Principais desvantagens:
1) Para grandes estruturas, o processo é relativamente complicado e os reparos não podem ser evitados
2) A viscosidade da resina deve ser muito baixa, o que também reduz as propriedades mecânicas
3) Áreas não molhadas são propensas a aparecer, resultando em uma grande quantidade de sucata
Aplicações típicas:Produção experimental de pequenos barcos, painéis de carroçaria para comboios e camiões, pás de turbinas eólicas
8. Prepreg - processo de autoclave
Descrição do método:A fibra ou tecido de fibra é pré-impregnado pelo fabricante do material com uma resina contendo um catalisador, e o método de fabricação é um método de alta temperatura e alta pressão ou um método de dissolução de solvente.O catalisador está latente à temperatura ambiente, dando ao material uma vida útil de semanas ou meses à temperatura ambiente;refrigeração pode prolongar sua vida útil.
O pré-impregnado pode ser colocado à mão ou à máquina na superfície do molde, depois coberto em um saco a vácuo e aquecido a 120-180°C.Após o aquecimento, a resina pode fluir novamente e eventualmente curar.Uma autoclave pode ser usada para aplicar pressão adicional ao material, normalmente até 5 atmosferas.
seleção de materiais:
Resina: geralmente epóxi, poliéster, resina fenólica, resina resistente a altas temperaturas, como poliimida, éster cianato e bismaleimida também podem ser usadas
Fibra: Nenhuma exigência.Pacote de fibra ou pano de fibra pode ser usado
Material do núcleo: nenhum requisito, mas a espuma precisa ser resistente a alta temperatura e alta pressão
A principal vantagem:
1) A proporção de resina para agente de cura e o teor de resina são definidos com precisão pelo fornecedor, é muito fácil obter laminados com alto teor de fibra e baixa porosidade
2) O material tem excelentes características de saúde e segurança, e o ambiente de trabalho é limpo, potencialmente economizando custos de automação e mão de obra
3) O custo das fibras de material unidirecional é minimizado e nenhum processo intermediário é necessário para tecer fibras em tecido
4) O processo de fabricação requer resina com alta viscosidade e boa molhabilidade, além de propriedades mecânicas e térmicas otimizadas
5) A extensão do tempo de trabalho à temperatura ambiente significa que a otimização estrutural e a disposição de formas complexas também são fáceis de alcançar
6) Potenciais economias em custos de automação e mão de obra
Principais desvantagens:
1) O custo dos materiais aumenta, mas é inevitável para atender aos requisitos da aplicação
2) É necessária uma autoclave para completar a cura, que tem alto custo, longo tempo de operação e restrições de tamanho
3) O molde precisa suportar alta temperatura de processo e o material do núcleo tem os mesmos requisitos
4) Para peças mais espessas, é necessário pré-vácuo ao colocar pré-impregnados para eliminar bolhas de ar entre as camadas
Aplicações típicas:peças estruturais do ônibus espacial (como asas e caudas), carros de corrida de F1
9. Prepreg - processo sem autoclave
Descrição do método:O processo de fabricação do prepreg de cura em baixa temperatura é exatamente o mesmo do prepreg em autoclave, a diferença é que as propriedades químicas da resina permitem que ela seja curada a 60-120°C.
Para cura a baixa temperatura de 60°C, o tempo de trabalho do material é de apenas uma semana;para catalisadores de alta temperatura (>80°C), o tempo de trabalho pode chegar a vários meses.A fluidez do sistema de resina permite a cura usando apenas bolsas a vácuo, evitando o uso de autoclaves.
seleção de materiais:
Resina: Geralmente apenas resina epóxi
Fibra: sem exigência, igual ao prepreg tradicional
Material do núcleo: nenhum requisito, mas atenção especial deve ser dada ao usar espuma de PVC padrão
A principal vantagem:
1) Tem todas as vantagens do prepreg de autoclave tradicional ((i.))-((vi.))
2) O material do molde é barato, como madeira, porque a temperatura de cura é baixa
3) O processo de fabricação de grandes peças estruturais é simplificado, bastando pressurizar a bolsa a vácuo, circular o ar quente do forno ou o sistema de aquecimento de ar quente do próprio molde para atender os requisitos de cura
4) Materiais de espuma comuns também podem ser usados, e o processo é mais maduro
5) Em comparação com a autoclave, o consumo de energia é menor
6) A tecnologia avançada garante boa precisão dimensional e repetibilidade
Principais desvantagens:
1) O custo do material ainda é maior do que a fibra seca, embora o custo da resina seja menor do que o pré-impregnado aeroespacial
2) O molde precisa suportar uma temperatura mais alta que o processo de infusão (80-140°C)
Aplicações típicas:pás de turbinas eólicas de alto desempenho, grandes barcos e iates de corrida, aeronaves de resgate, componentes de trens
10. Processo sem autoclave de SPRINT semi-impregnado/beam prepreg SparPreg
Descrição do método:É difícil descarregar as bolhas de ar entre as camadas ou camadas sobrepostas durante o processo de cura quando se usa prepreg em estruturas mais espessas (>3mm).Para superar essa dificuldade, a pré-vacuumização foi introduzida no processo de estratificação, mas aumentou significativamente o tempo do processo.
Nos últimos anos, a Gurit introduziu uma série de produtos pré-impregnados aprimorados com tecnologia patenteada, permitindo a fabricação de laminados mais espessos de alta qualidade (baixa porosidade) em um processo de etapa única.O semi-impregnado SPRINT é composto por duas camadas de fibra seca, intercaladas por uma camada de filme de resina em estrutura sanduíche.Depois que o material é colocado no molde, a bomba de vácuo pode drenar completamente o ar antes que a resina aqueça, amoleça e encharque a fibra.solidificado.
Beam prepreg SparPreg é um pré-impregnado aprimorado que, quando curado sob vácuo, pode facilmente remover bolhas de ar do material de duas camadas ligado.
seleção de materiais:
Resina: principalmente resina epóxi, outras resinas também estão disponíveis
Fibra: sem exigência
Material do núcleo: a maioria, mas atenção especial deve ser dada à alta temperatura ao usar espuma de PVC padrão
A principal vantagem:
1) Para peças mais espessas (100 mm), alta fração de volume de fibras e baixa porosidade ainda podem ser obtidas com precisão
2) O estado inicial do sistema de resina é sólido e o desempenho é excelente após a cura em alta temperatura
3) Permite o uso de tecido de fibra de baixo custo e alto peso básico (como 1600 g/m2), aumenta a velocidade de preparação e economiza custos de fabricação
4) O processo é muito avançado, a operação é simples e o teor de resina é controlado com precisão
Principais desvantagens:
1) O custo do material ainda é maior do que a fibra seca, embora o custo da resina seja menor do que o pré-impregnado aeroespacial
2) O molde precisa suportar uma temperatura mais alta que o processo de infusão (80-140°C)
Aplicações típicas:pás de turbinas eólicas de alto desempenho, grandes barcos e iates de corrida, aeronaves de resgate
Horário da postagem: 13 de dezembro de 2022
