1. Detaillierte Erläuterung des Prozesses der Kohlefaser-Heißpressung im Tank

Ein fortschrittlicher Herstellungsprozess, bei dem ein versiegelter Druckbehälter (Heißpressentank) verwendet wird, um eine kontrollierbare Hochtemperatur-, Hochdruck- und Vakuumumgebung auf Kohlefaser-Prepregs (vorimprägnierte Harzfasern) anzuwenden, die auf eine Form gelegt werden, damit sie sich verfestigen und hochleistungsfähige Verbundstoffteile bilden können.

2. Überblick über den Kohlenstofffaser-Hot-Pot-Prozess

Das Heißpressverfahren ist die gängige Methode zur Herstellung von hochleistungsfähigen, hochpräzisen und komplex strukturierten Kohlefaserverbundbauteilen. Es erreicht eine gleichmäßige Wärmeverteilung, hohen Druck (Gasdruck) und eine Vakuum-Unterdruck-Umgebung, die durch den Heißpressentank bereitgestellt wird.

3. Merkmale des Hot-Pot-Verfahrens

Hoher und gleichmäßiger Druck: Hochdruckgas (in der Regel Druckluft oder Stickstoff, mit einem Druck von mehreren MPa oder noch höher) wird gleichmäßig aus allen Richtungen auf den Vakuumbeutel aufgebracht

Der Schlüssel zum Erreichen eines hohen Faservolumengehalts und einer geringen Porosität ist eine gleichmäßige Verdichtung der Schicht. Besser als das Vakuumbeutelpressen, das sich ausschließlich auf den atmosphärischen Druck stützt

Gleichmäßige Erwärmung: Die Heißluftumwälzung oder Heizung im Inneren des Heißpressentanks sorgt für ein sehr gleichmäßiges Temperaturfeld, das eine synchrone Aushärtung des gesamten Bauteils (insbesondere großer komplexer Teile) gewährleistet und thermische Verformungen und innere Spannungen reduziert.

4. Prozessablauf der Kohlefaser-Heißpressenwanne

1. Vorbereitung des Materials

Auswahl des vorimprägnierten Materials und Schneiden: Wählen Sie das geeignete vorimprägnierte Kohlenstofffasermaterial (Harztyp, Fasertyp, Oberflächendichte, Schichtrichtung) entsprechend den Designanforderungen. Verwenden Sie automatische Schneidemaschinen oder manuelles Präzisionsschneiden, um die gewünschte Form und den gewünschten Winkel zu erreichen.

Vorbereitung von Hilfsmaterialien: Bereiten Sie die entsprechenden Größen und Arten von Vakuumfolie, atmungsaktivem Filz, Trenngewebe, Trennfolie, Dichtungsstreifen, Vakuumverbindung, druckempfindlichem Band usw. vor.

2. Entwurf und Vorbereitung der Form

Entwurf der Form: Berücksichtigen Sie die Form, die Maßgenauigkeit, die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Steifigkeit, die Festigkeit (um hohem Druck standzuhalten), die Entformungsmethode, die Heizleistung, die Abdichtung usw. des Werkstücks. Gängige Materialien sind Stahl, Invar (Legierung mit geringer Ausdehnung), Formen aus Verbundwerkstoffen oder weiche Formen aus Silikonkautschuk.

Reinigung der Form und Beschichtung mit Trennmittel: Reinigen Sie die Oberfläche der Form gründlich, um sicherzustellen, dass sie frei von Fett und Staub ist. Hochtemperatur-Trennmittel (wie Wachs oder semipermanentes Trennmittel) gleichmäßig auf die Arbeitsfläche der Form auftragen (sprühen oder wischen), um eine Isolierschicht zu bilden.

Verwenden Sie manchmal Trennpapier, das Sie auf die Oberfläche der Form legen.

3. Auslegen

Verlegen von vorimprägniertem Material: Legen Sie die zugeschnittenen, vorimprägnierten Materialschichten entsprechend der vorgesehenen Verlegesequenz, dem Winkel und der Position genau auf die Oberfläche der Form. Eine genaue Ausrichtung ist erforderlich, um Falten, Ausrichtungsfehler und das Eindringen von Fremdkörpern zu vermeiden. Manchmal ist es notwendig, zwischen den Schichten zu verdichten und abzusaugen.

Platzierung der Einsätze: falls erforderlich, Platzierung von Metalleinsätzen, vorgehärteten Pflastern, Verbindern oder Kernmaterialien (Wabenstruktur, Schaumstoff usw.)

4. Vakuumbeuteln

Dies ist ein entscheidender und sorgfältiger Schritt

Sequentielle Verlegung von Hilfsstoffen: Bedecken Sie die Oberfläche der Schicht nacheinander

Trenngewebe: verhindert das Anhaften von Harz auf dem atmungsaktiven Filz und gewährleistet die Oberflächenqualität der Teile

Atmungsaktiver Filz/Absorptionsfilz: bietet Kanäle für den Harzfluss und die Gasabfuhr. Saugfähiger Filz wird auch verwendet, um überschüssiges Harz zu absorbieren.

Isolierfolie (z. B. FEP-Folie): optional, verhindert das Anhaften von atmungsaktivem Filz/Klebefilz an der Vakuumbeutelfolie

Vakuumbeutelfolie: bedeckt die gesamte Schicht und den Formrand und bildet einen geschlossenen Raum

Versiegeln: Verwenden Sie Dichtungsband, um die Folie des Vakuumbeutels fest an den Dichtungsrand der Form zu kleben, damit keine Luft entweichen kann.

Anschluss der Vakuumleitung: Installieren Sie an geeigneter Stelle (in der Regel über dem atmungsaktiven Filz) ein Vakuumanschlussrohr und schließen Sie den Vakuumschlauch an das Vakuumsystem des Heißpressentanks an.

Prüfung des Vakuumgrades: Vakuumieren (in der Regel erforderlich, um mindestens -0,08 MPa oder höher zu erreichen), überprüfen Sie die Abdichtung, stellen Sie sicher, dass keine Leckage, und halten Sie den Druck für einen Zeitraum von Zeit. Der Vakuumgrad ist der Schlüssel zur Sicherstellung von Verdichtung und Abgas

5. Heißpressen (Aushärtungszyklus)

Schieben Sie die verpackten Formteile in die Heißpressdose, schließen Sie die Dosentür und versiegeln Sie sie.

Vakuumpumpen: Starten des Vakuumsystems, Aufrechterhaltung und Überwachung des Vakuumniveaus

Druckbeaufschlagung: Der Tank wird mit Druckgas (Luft oder Inertgas wie Stickstoff) befüllt und entsprechend dem eingestellten Programm (meist in Stufen) auf den Sollwert verdichtet. Der Druck wird durch den Vakuumbeutel gleichmäßig auf das Werkstück übertragen

Aufheizen: Starten Sie das Heizsystem (Warmluftumwälzung oder Heizung) und erhöhen Sie die Temperatur entsprechend der genau eingestellten Temperatur-Zeit-Kurve (Aushärtungskurve). Die Kurve wird durch die Aushärtekinetik des Harzsystems bestimmt (einschließlich Heizrate, Temperatur und Zeit der Isolierplattform, Abkühlrate usw.).

Aushärtung der Isolierung: Halten Sie eine ausreichende Isolierzeit bei der angestrebten Aushärtungstemperatur ein, um sicherzustellen, dass das Harz vollständig vernetzt und ausgehärtet ist. Druck und Vakuum werden in dieser Phase kontinuierlich aufrechterhalten

Abkühlung: Das Programm steuert die Abkühlgeschwindigkeit (in der Regel langsamer), um eine Verformung oder Rissbildung der Teile aufgrund thermischer Spannungen zu vermeiden. Druck und Vakuum müssen in der Regel während der ersten Abkühlphase aufrechterhalten werden und können später schrittweise abgebaut werden

Druckentlastung: Nachdem die Temperatur auf einen sicheren Bereich gesunken ist, lassen Sie den Druck im Tank langsam ab.

Aus der Dose: Öffnen Sie die Dosentür und nehmen Sie die Formteile heraus

6. Entformung und Nachbearbeitung

Demontage des Vakuumsacksystems: Vorsichtiges Entfernen der Vakuumbeutelfolie und aller Hilfsmaterialien (Trenngewebe, atmungsaktiver Filz usw.)

Entformen: Mit einem für die Form entwickelten Entformungsmechanismus oder Werkzeug werden die ausgehärteten Teile vorsichtig aus der Form entfernt. Geschicklichkeit ist erforderlich, um eine Beschädigung von Teilen und Formen zu vermeiden

Randbeschnitt und Bearbeitung: Entfernen von Graten, Leimfluss und Bearbeitungszugaben. Notwendige mechanische Bearbeitungen wie Bohren, Schneiden, Fräsen usw. durchführen, um die endgültigen Abmessungen und Montageanforderungen zu erreichen.

Zerstörungsfreie Prüfung: Ultraschallprüfung (UT), Röntgenstrahlen, Schlagprüfung und andere Methoden, um zu prüfen, ob Defekte wie Delaminationen, Poren oder Einschlüsse im Inneren des Werkstücks vorhanden sind

Oberflächenbehandlung: Reinigen, Polieren (falls erforderlich), Vorbereitung für die anschließende Lackierung oder Montage

Endkontrolle und Lieferung: Durchführung von Endkontrollen hinsichtlich Abmessungen, Aussehen, Leistung usw. und Lieferung nach bestandener Kontrolle

5. Vor- und Nachteile des Heißpress-Tankverfahrens für Kohlenstofffasern

Vorteile

Extrem hohe Qualität der Komponenten: hoher Faservolumengehalt (>60%), extrem geringe Porosität (<1%) und optimale mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit, Ermüdungseigenschaften)

Ausgezeichnete Oberflächenqualität: Die Oberfläche der Kontaktform (Klebefläche) kann eine Oberflächenglätte der Klasse A oder nahezu der Klasse A erreichen.

Ausgezeichnete Maßgenauigkeit und Stabilität: hohe Formgenauigkeit, gleichmäßiger Aushärtungsdruck, gleichmäßiges Wärmefeld, gute Kontrolle der Teilegröße und minimale Verformung

Leistungsstarke Fähigkeit, komplexe Strukturen zu formen: Herstellung großer, komplexer gekrümmter Oberflächen, variabler Dicken, verstärkter Rippen, Sandwichstrukturen und anderer Komponenten, die mit anderen Methoden nur schwer zu formen sind

Hohe Prozessreife: Das Verfahren wird seit Jahrzehnten in der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen angewandt und ist stabil und zuverlässig, mit vollständigen Standards und Spezifikationen.

Große Materialauswahl: geeignet für verschiedene Hochleistungsharzmatrizen (Epoxid, Bismaleimid, Polyimid, Thermoplast usw.) und Kohlefaser-Prepreg

Benachteiligungen

1. Die Kosten für die Ausrüstung sind extrem hoch: Die Investition in den großen Heißpressentank selbst und die dazugehörigen Einrichtungen (Luftkompressor, Vakuumsystem, Kühlsystem, Kontrollsystem) ist enorm.

2. Hohe Formkosten: Formen, die eine hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit, hohe Präzision und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (wie Invar) erfordern, sind schwierig herzustellen und verursachen hohe Kosten.

3. Enormer Energieverbrauch: Heizung, Druckbeaufschlagung und Vakuumierung verbrauchen sehr viel Energie

4. Langer Prozesszyklus: Der gesamte Prozess der Vorbereitung, des Verlegens, des Verpackens, des Aushärtens, des Abkühlens und der Nachbearbeitung nimmt viel Zeit in Anspruch (insbesondere beim Aushärten großer dickwandiger Teile), was zu einer relativ geringen Produktionseffizienz führt

5. Hoher Verbrauch und hohe Kosten von Hilfsstoffen: Das Material des Vakuumsacksystems ist ein Einweg-Verbrauchsmaterial, das häufig verwendet wird und hohe Kosten verursacht.

6. Komplexer Betrieb und Abhängigkeit von der Erfahrung: Die Verlege- und Verpackungsprozesse sind in hohem Maße von Fachkräften abhängig, und auch die Formulierung und Optimierung der Parameter für den Aushärtungsprozess erfordern profunde Fachkenntnisse.

7. Größenbegrenzung: Die Größe des Bauteils ist durch das Volumen der Heißpressendose begrenzt

8. Herausforderung für die Umwelt: Harze können bei hohen Temperaturen und hohem Druck flüchtige organische Verbindungen (VOC) freisetzen, die eine Behandlung erfordern

6. Anwendungsbereiche der Kohlefaser-Heißpresstanktechnologie; zukünftige Entwicklungstrends

Anwendungsbereich

Luft- und Raumfahrt (Kernbereich) Haupttragstrukturen von Flugzeugen (Tragflächen, Rumpfplatten, Leitwerke, Träger, Rippen), Triebwerkskomponenten (Lüfterschaufeln, Gehäuse), Satellitenstrukturen, Raumfahrzeugkomponenten, Strukturen für unbemannte Luftfahrzeuge usw.

Hochwertige Sportgeräte: Fahrradrahmen, Tennisschläger, Golfschläger, Rennsportteile, Ruderboote, Hochleistungsskier/-stöcke usw.

Automobilindustrie (Hochleistung/Rennsport): F1 Racing Single Shell Body, Strukturkomponenten, Fahrwerkskomponenten, Prototyp-Teile von Karosserieverkleidungen für Hochleistungssportwagen, etc.

Nationale Verteidigung und Militärindustrie: Raketengehäuse, Radarabdeckung, Struktur von unbemannten Luftfahrzeugen, Komponenten für gepanzerte Fahrzeuge usw.

Industrieller Bereich: hochwertige Komponenten für medizinische Geräte (z. B. CT/MRI-Scannerbettplatten, orthopädische Instrumente), Roboterarme, Strukturkomponenten für Präzisionsinstrumente, hochwertige Audiomembranen usw.

Neue Energie: Windturbinenblätter (einige Schlüsselteile), Wasserstoffzylinder, Brennstoffzellenkomponenten usw.

Zusammenfassung

Das Heißpressverfahren für Kohlefasern ist der Goldstandard für die Herstellung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen mit höchster Leistung und Qualität, insbesondere für große und komplexe Strukturbauteile.

Durch die gleichmäßige Hochtemperatur-, Hochdruck- und Vakuumumgebung des Heißpressentanks werden eine vollständige Verdichtung, eine geringe Porosität und eine präzise steuerbare Aushärtungsreaktion der Materialien erreicht, wodurch die Teile mit unvergleichlichen mechanischen Eigenschaften und Maßgenauigkeit ausgestattet werden.

Die hohen Kosten für Anlagen, Werkzeuge, Energie und Material sowie die langen Prozesszyklen sind jedoch die Haupthindernisse für eine breite Anwendung.

Die Hauptanwendungsbereiche dieses Verfahrens liegen in der Luft- und Raumfahrt, bei High-End-Sportgeräten, Hochleistungsautomobilen/Rennwagen, in der Verteidigungs- und Militärindustrie sowie in anderen Bereichen, in denen extrem hohe Anforderungen an Leistung und Mehrwert gestellt werden.