| АВТОР | ДАТА НА СЪЗДАВАНЕ | ВЕРСИЯ | НОМЕР НА ДОКУМЕНТ |
|---|---|---|---|
| Д-р Питър Маршал | 8 април 2016 | V1.1 | CC11 - 00101 |
Въведение
CCP Gransden се приближи до Ceramicx, за да изгради инфрачервена фурна за загряване на термопластични материали от препрегирани въглеродни влакна за техните операции за формоване. Тази тестова работа беше извършена като част от функциите, определени в предложението за продажба (CSP 000 008). Първата фаза включва оценка и избор на инфрачервен нагревател за този проект, като определената минимална температура на материала е 425 ° C.
Описание на материала
Бяха получени три проби от два материала в парчета 230 x 230 x 1mm. В тези случаи матрицата е PEEK1 и PPS2, По-малка извадка от PEKK3 с размери 200 x 150 x 2mm също беше получено. Материалът беше твърд, гладък с лъскаво черно покритие. На повърхността на пробите PEEK и PPS се виждаше малък шаблон.
Пробите PEEK и PPS се нарязват на парчета 115 x 115 mm. Материалът PEKK беше нарязан на парчета 100 x 75mm.
Начин на доставка
Бяха оценени две отделни фамилии нагреватели; халоген (QH и QT) и черна куха керамика (FFEH). Във всеки случай плочите бяха монтирани над и под материалната проба с регулируема височина.
FastIR
Изработена е монтажна система, която позволява да се монтират два от модулите FastIR 500 на Ceramicx над и под материала. FastIR 500 се състои от седем нагревателни елемента, монтирани паралелно в корпус 500 x 500 mm. Разстоянието между тези тръби е 81mm. Използвани са "дълги" (обща дължина: 1500mm) елементи 2000W и 473W, които дават общ изход съответно от двете единици на 21 или 28kW. Нагревателните единици бяха монтирани така, че разстоянието между повърхността на елемента и пробата да варира между 55mm и 95mm.
Използваният експериментален протокол е както следва:
- Включиха се фенове
- Три централни нагревателни елемента са включени, отгоре и отдолу
- Отвън са включени четири нагревателни елемента, отгоре и отдолу
Изображение на проба между двата FastIR единици е показано на фигура 1. Нищо не се използва за затваряне на пролуката между двата отоплителни блока
Елементи
В модула FastIR могат да бъдат монтирани два вида елементи; кварцов халоген и кварцов волфрам. Тези елементи излъчват различни пикови дължини на инфрачервената вълна; халоген при приблизително 1.0 - 1.2μm и волфрам между 1.6 - 1.9μm. Всяка тръба има диаметър 10mm, обща дължина 473mm и нагрята дължина 415mm.
Черна куха
Персонализиран котел за отопление е проектиран така, че да включва матрица 2 x 7 от елементи на 800W FFEH на Ceramicx, даваща на всеки валяк 11.2kW мощност. Тази матрица беше затворена в калъф 510 x 510mm и монтирана в същата рамка като системата FastIR, подробно описана по-горе. Използван е експерименталният протокол; обаче, феновете не бяха наети в тези табели. Разстоянието между тези елементи беше 65mm.
Използвани са две различни разстояния за проба на елементи, 50 и 100mm. Отново пропастта между двата отоплителни блока беше оставена отворена
Елементи
Кухите елементи от черен цвят Ceramicx излъчват пикови дължини на вълната в средния до дългия режим (2 - 10μm). Всеки елемент има размери 245 x 60mm (lxw). По-големите дължини на вълната, свързани с керамичните елементи, са много ефективни за нагряване на много полимерни материали.
Инструментация
Термодвойките тип К бяха прикрепени към повърхността на пробата с помощта на винтове M3. Керамичният цимент беше изпробван, но това не се прилепва към повърхността на материала. Предвид необходимите високи температури, наличното лепило няма да остане стабилно, така че механичното фиксиране се счита за необходимо. Термодвойките са разположени в центъра на всеки образец, а също така 10mm (ръб) и 30mm (четвърт) от ръба, както е показано на фигура 2. Това разположи термодвойките директно над елементите на тръбата и в центъра между елементите, така че да се запише максималната разлика в температурата. Данните за температурата се записват на интервали от една секунда.
Тестване на сандвич
Тестерът за сандвич е усъвършенствана машина за тестване на термичен отговор, както е показано на фигура 2. Различни видове инфрачервени нагреватели могат да бъдат монтирани в две позиции, обърнати вертикално нагоре и надолу. Това гарантира, че тестваният материал може да се нагрее отгоре и / или отдолу. Четири безконтактни оптични пирометра се използват за определяне на горната и долната повърхностна температура на тествания материал. Изпускателите се оставят да се затоплят до работната си температура и след това материалът се поставя под емитера за предварително определен период. Този тест беше извършен както с волфрамов 1kW (QTM), така и с 800W черни кухи елементи (FFEH), монтирани 75mm над пробата, за да се определи кой нагревател даде най-доброто проникване през материала.
Резултати
FastIR
Този раздел докладва за резултатите, намерени за волфрамови и халогенни тръби за въпросните три материала. Тестовете бяха проведени с три различни височини на нагревателя (55 мм, 80 мм и 95 мм).
PEEK
Първоначалните изпитвания са проведени с проба PEEK и двата FastIR нагревателя с кварцови халогенни тръби 1500W, разделени с 110mm. Резултатите от този тест, показани на фигура 4, показват, че пробата не е успяла да достигне необходимата температура.
Елементите бяха променени в кратковълнови халогенни (QHL) епруветки 2000W, които показаха, че при едно и също разделяне пробата достига и надвишава необходимата температура на едно място. В този случай регистрираната максимална температура е 485 ° C, но съществени температурни разлики (до 83 ° C) също са открити. Времето, необходимо за достигане на целевата температура от 425 ° C, беше 99 секунди. Това беше постигнато само на две места
Кварцовите волфрамови (QTL) тръби (2000W) също бяха изследвани на трите нива, като максималната температура падаше с увеличаване на разстоянието на нагревателя. При 55mm беше открита максимална и минимална температура от 520 ° C. Целевата температура в материалната проба се постига за 206 секунди. Увеличавайки разстоянието до 80mm, те са намалени до 450 ° C и 415 ° C и при 95mm над пробата, максималните и минималните температури на пробата са 407 и 393 ° C.
Фигура 4 показва отклонението в температурата, което може да възникне в цялата проба поради близостта на нагревателите до пробата, както и времето, необходимо за нагряване на материала до 425 ° C (206 секунди за нагревателя 2kW QT).
Волфрамовите тръби 150 ° W не са тествани, тъй като се смяташе за по-оперативно важно да се увеличи разстоянието на нагревателя, отколкото да се намали мощността на използваните елементи.
Фигура 5 показва визуалната разлика в пробата преди и след нагряване.
PEKK
PEKK се нагрява само с волфрамови нагреватели 2000W само при 55mm. Топлинната характеристика на материала беше отлична при регистрирани температури над 500 ° C. Минимално определената температура е постигната в 102 секунди, като максималната температура е записана над 500 ° C.
Беше забележимо, че тази проба показва някакво разцепване и отлагане по краищата, а също и някои повърхностни деформации след нагряване, както е показано на фигура 7, вероятно от абсорбция на влага по време на съхранение и бързо нагряване, което се случи.
PPS
PPS материалът е тестван с халогенни и волфрамови нагреватели 2000W. Халогенният тест се провежда с разделяне на 55mm и волфрамовите тестове при 55mm и 95mm.
Данните отново показват, че волфрамовата тръба е по-добър нагревател за този материал (от халогенния нагревател) с по-високи температури, регистрирани при разделянето на 55mm и също така по-голяма равномерност на температурата в пробата. Отклонение от 38 ° C е регистрирано за халогенните нагреватели и 30 ° C за волфрамовите нагреватели. Тази записана промяна ще бъде силно повлияна от местоположението на термодвойката спрямо тръбите. Не са гарантирани идентични места за термодвойки.
Тестовете с PPS се прекратяват скоро след като материалът достигне необходимата температура от 425 ° C, тъй като от пробите има отделяне на миризми на сяра.
На разстояние от 55mm, целевата температура се записва след 66 и 88 секунди за халогенни и волфрамови нагреватели съответно при 55mm. Когато волфрамовите нагреватели бяха монтирани на 95mm от пробата, целевата температура не беше постигната.
Черна куха
Първоначалните тестове бяха проведени с разделяне елемент-материал на 50mm. Повишаването на температурата на материала беше много бързо за всички материали. От студен старт кухите елементи отнемат приблизително 10-12 минути, за да се нагреят до стабилни работни нива (повърхностна температура от приблизително 700 ° C). Повишаването на температурата на материала до голяма степен е подобно на кривата на отопление на нагревателя, но в това време имаше забавяне.
PEEK
Графика на времето, необходимо за загряване на пробата от PEEK за достигане на необходимата температура на обработка, е показано по-долу на Фигура 9. Това показва, че времето за загряване до 425 ° C е приблизително 185 секунди от момента, в който нагревателите са включени на 50mm. Ако разстоянието се увеличи до 100mm, времето се увеличава до 230 секунди. Пробата се оставя между двете плоскости по време на загряването и се отстранява за охлаждане.
PEKK
Времето, необходимо за PEKK да достигне минималния праг, беше малко по-дълго, отколкото за PEEK. Две възможни причини за това са: 1.) Материалът не абсорбира инфрачервеното лъчение, както и PEEK и 2.) Дебелината на материала е два пъти по-голяма (съответно 1 и 2mm). Времето, необходимо за достигане на 425 ° C при 50mm, беше 181 секунди, а при 100mm това се увеличи до 244 секунди
PPS
PPS се загрява много успешно с черните кухи елементи с 425 ° C, записани в 171 секунди и 219 секунди при 50 и 100mm съответно. Кривата на отопление на този материал е показана на фигура 11. Отново се появи пушек на мирис на сяра, но количеството на това не беше толкова, колкото при халогенните нагреватели, както е описано по-горе. Това може частично да се дължи на отсъствието на вентилатори на гърба на отоплителния вал.
Обобщение на времето, необходимо за нагряване на материалите с халоген, волфрам и кухи керамични елементи до целевата температура е показано по-долу в таблица 1. Тъй като монтирането на халогенните елементи на по-големи разстояния, отколкото 55mm, не беше универсално успешно, тези резултати бяха пропуснати от таблицата.
|
Материал |
Тип нагревател (мощност)
|
разстояние | Време за достигане до 425 ° C |
|---|---|---|---|
| PEEK | QHL (2kW) | 55mm | 99 |
| QTL (2kW) | 55mm | 206 | |
| FFEH (800W) | 50mm | 185 | |
| FFEH (800W) | 100mm | 230 | |
| PEKK | QTL (2kW) | 55mm | 102 |
| FFEH (800W) | 50mm | 181 | |
| FFEH (800W) | 100mm | 244 | |
| PPS | QHL (2kW) | 55mm | 66 |
| QTL (2kW) | 55mm | 88 | |
| FFEH (800W) | 50mm | 171 | |
| FFEH (800W) | 100mm | 219 |
Тестване на сандвич
Извършването на тест за сандвич се извършва за получаване на информация за пренасянето на топлина през материала. Това беше направено чрез нагряване на пробата от една страна, измерване на температурата от двете страни и сравнение на резултатите. Бяха изследвани само волфрамови тръби и черни кухи елементи, тъй като въз основа на резултатите от FastIR, халогенните тръби с къси вълни не са подходящи нагреватели за въпросните материали.
Резултатите за QTM елементите показват, че няма значителна температурна разлика между горната и долната повърхност за PEEK и PPS материалите, но PPS се загрява по-бързо и кривите на този материал са практически неразличими. Трябва да се отбележи, че тези два материала са много тънки (≈ 1mm). Както се очакваше, температурната разлика за PEKK беше по-голяма (75 ± 2oC) поради дебелината му (≈ 2mm). Тези резултати са показани на фигура 12 по-долу.
По експлоатационни причини изпитването приключва, когато пирометрите открият температура от 300 ° C. Пикът, наблюдаван в първите 30 секунди на теста, е отразяващ и не е истински показател за температурата.
Тези резултати показват, че за PEEK и PPS е възможно добро проникване в материала чрез използване на волфрамов нагревател. Изравняването на температурата за PEKK обаче не е толкова добро, демонстрирано от почти разликата в температурата на 75 ° C през последните 18 секунди на теста4.
Не беше възможно да се преместят материалните проби по-близо до нагревателя, за да се анализира какъв ефект ще има това, тъй като острият ъгъл, необходим на пирометъра, за да види материала, ще изкриви показанието.
Загряването на пробите с черни кухи елементи на същото разстояние (75mm) показва подобна тенденция с по-голяма температурна разлика (45 ± 2 ° C), наблюдавана за по-плътния материал PEKK (в сравнение с по-тънките материали). Температурите на горната и долната повърхност на PEEK са практически неразличими; въпреки това има разлика в температурата на PPS (25 ± 2 ° C). Тези данни са показани на фигура 13. Това показва, че инфрачервеното проникване на PPS при излъчване с по-голяма дължина на вълната не е толкова добро, колкото при по-къса IR волфрамова, но изравняването на температурата на PEKK е по-добро (но не е идеално).
При разделяне на 75mm най-високите температури и скорости на нагряване се получават с помощта на волфрамов нагревател, който изглежда противоречи на предишните резултати на валяка. Това обаче не трябва да се използва като водач, тъй като е използван само един нагревател. Освен това, тези характеристики ще бъдат подобрени, като се използва масив от нагреватели, за разлика от един нагревател.
Заключение
- Извършените и подробни тестове показват, че нагряването на трите термопластични въглеродни композитни материали до минимум 425 ° C е възможно както с халоген със средна вълна, така и с черни кухи елементи.
- По-високи максимални температури са постигнати с помощта на черен кух кухненски елемент (FFEH) Ceramicx 800W.
- Времето, необходимо за нагряване на PEEK до 425 ° C, беше 206 секунди за нагреватели с волфрамова тръба 2kW при 55mm и 230 секунди за FFEH елементи при 100mm
- Времето, необходимо за нагряване на PEKK до 425 ° C, беше 102 секунди за нагреватели на волфрамови тръби 2kW при 55mm и 244 секунди за FFEH елементи при 100mm
- Времето, необходимо за нагряване на PPS до 425 ° C, беше 88 секунди за нагреватели с волфрамова тръба 2kW при 55mm и 219 секунди за FFEH елементи при 100mm
- Максималните температури, постигнатите скорости на нагряване на материала и равномерността на повърхностната температура са силна функция на разстоянието, на което се монтират нагревателите от материала.
- Отлично инфрачервено проникване и следователно изравняване на температурата, чрез дебелината на материала, на PPS и PEEK беше постигнато със средно вълнен халоген (волфрам). Изравняването на температурата, постигнато с PEKK, не беше толкова добро, колкото при останалите материали.
- Открито е отлично инфрачервено проникване и изравняване на температурата при PEEK, използвайки черни кухи елементи. Този имот не беше толкова добър, колкото за PEKK и PPS.
Въз основа на изпитваните данни по-горе и близкото разделяне между елемент и материал, които са необходими за постигане на температурите, необходими за образуване на въпросните материали, изглежда най-добрият инфрачервен излъчвател е Ceramicx 800W черен пълен плосък кух елемент. Докато времената за постигане на необходимите температури са малко по-дълги от волфрамовите нагреватели, по-голямата близост на използваните елементи ще доведе до по-добра равномерност на повърхностната температура. Освен това керамичните елементи бяха стартирани от стайна температура и им бяха необходими приблизително 12 минути, за да достигнат експлоатационни нива. Следователно, това време може да бъде значително скъсено чрез предварително загряване на елементите.
Трябва също да се отбележи, че тези резултати се основават на пробите, които са били предоставени за тестване (т.е. 1mm и 2mm с дебелина). Загряването на по-дебели части може да изисква да се изследват значителни промени в технологията на отопление, за да се гарантира, че температурният профил в дебелината на материала е равномерен и подходящ за последващи операции на формоване.
1 Полиетер етер кетон
2 Полифенилен сулфид
3 Polyetherketoneketone
4 Средна разлика между горната и долната повърхност, взета през последните 18 секунди от теста.
Отказ от отговорност
Тези резултати от теста трябва да бъдат внимателно обмислени, преди да се определи определен тип инфрачервен излъчвател.
Повторните тестове, проведени от други компании, може да не постигнат същите резултати. Разликите в експерименталните условия могат да променят резултатите. Други източници на грешки включват: марката на използвания емитер, ефективността на излъчвателя, доставената мощност, разстоянието от тествания материал до използвания емитер и околната среда. Местата, на които се измерва температурата, също могат да причинят промяна в резултатите.
