| AUTOR | DATUM VYTVOŘENÝ | VERZE | ČÍSLO DOKUMENTU |
|---|---|---|---|
| Dr. Peter Marshall | 8 2016 dubna | V1.1 | CC11 - 00101 |
Úvod
CCP Gransden se obrátil na Ceramicx a postavil infračervenou pec pro ohřev termoplastických materiálů z předpřipravených uhlíkových vláken pro jejich tvářecí operace. Tato testovací práce byla provedena jako součást funkcí definovaných v návrhu prodeje (CSP 000 008). První fáze zahrnuje posouzení a výběr infračerveného ohřívače pro tento projekt, přičemž stanovená minimální teplota materiálu je 425 ° C.
Popis materiálu
Tři vzorky ze dvou materiálů byly přijaty v kusech 230 x 230 x 1mm. V těchto případech byla maticí PEEK1 a PPS2. Menší vzorek PEKK3 s rozměry 200 x 150 x 2mm. Materiál byl tuhý, hladký s lesklým černým povrchem. Na povrchu vzorků PEEK a PPS byl vidět malý vzor.
Vzorky PEEK a PPS byly nařezány na kousky 115 x 115 mm. Materiál PEKK byl nařezán na kousky 100 x 75mm.
Metoda
Byly hodnoceny dvě odlišné rodiny topných těles; halogen (QH a QT) a černá dutá keramika (FFEH). V každém případě byly desky namontovány nad a pod vzorek materiálu s nastavitelnou výškou.
FastIR
Byl vyroben montážní systém, který umožnil namontovat dvě jednotky FastIR 500 Ceramicxu nad a pod materiál. FastIR 500 se skládá ze sedmi topných těles namontovaných paralelně do pouzdra 500 x 500 mm. Rozestup mezi těmito zkumavkami je 81mm. Byly použity prvky 1500W a 2000W „dlouhé“ (celková délka: 473mm), což dává celkový výkon ze dvou jednotek 21 nebo 28kW. Topné jednotky byly namontovány tak, že vzdálenost mezi povrchem prvku a vzorkem byla měněna mezi 55mm a 95mm.
Použitý experimentální protokol byl následující:
- Fanoušci se zapnuli
- Zapnuty tři topné články, horní a dolní
- Mimo čtyři topné články zapnuté, horní a dolní
Obrázek vzorku mezi dvěma jednotkami FastIR je znázorněn na obrázku 1. Na uzavření mezery mezi oběma topnými jednotkami nebylo použito nic
Prvky
Do jednotky FastIR lze namontovat dva typy prvků; křemenný halogen a křemenný wolfram. Tyto prvky emitují různé infračervené vlnové délky; halogen na přibližně 1.0 - 1.2μm a wolfram mezi 1.6 - 1.9μm. Každá trubice má průměr 10mm, celkovou délku 473mm a vyhřívanou délku 415mm.
Black Hollow
Zakázková topná deska byla navržena tak, aby obsahovala matici 2 x 7 prvků 800W FFEH Ceramicxu, což dává každé desce 11.2kW energie. Tato matice byla uzavřena v pouzdru 510 x 510mm a namontována ve stejném rámci jako výše uvedený systém FastIR. Byl použit experimentální protokol; fanoušci však nebyli zaměstnáni v těchto deskách. Vzdálenost mezi těmito prvky byla 65mm.
Byly použity dvě různé vzdálenosti element-sample, 50 a 100mm. Mezera mezi oběma topnými jednotkami byla opět ponechána otevřená
Prvky
Černé duté prvky Ceramicx emitují špičkové vlnové délky ve středním až dlouhém režimu (2 - 10μm). Každý prvek má rozměry 245 x 60mm (lxw). Delší vlnové délky spojené s keramickými prvky jsou velmi účinné pro zahřívání mnoha polymerních materiálů.
Instrumentace
Termočlánky typu K byly připevněny k povrchu vzorku pomocí šroubů M3. Keramický cement byl zkoušen, ale to nelepilo na povrch materiálu. Vzhledem k požadovaným vysokým teplotám by žádné dostupné adhezivum nezůstalo stabilní, takže mechanická fixace byla považována za nezbytnou. Termočlánky byly umístěny ve středu každého vzorku a také 10mm (okraj) a 30mm (čtvrtina) od okraje, jak je znázorněno na obrázku 2. To umístilo termočlánky přímo nad trubkovými prvky a ve středu mezi prvky tak, aby byl zaznamenán maximální teplotní rozdíl. Údaje o teplotě byly zaznamenány v intervalech jedné sekundy.
Sendvičové testování
Sendvičový tester je pokročilý přístroj pro testování tepelné odezvy materiálu, jak je znázorněno na obrázku 2. Různé typy infračervených ohřívačů lze namontovat ve dvou polohách otočených svisle nahoru a dolů. To zajišťuje, že testovaný materiál může být zahříván shora a / nebo zdola. Ke stanovení horní a spodní povrchové teploty zkoušeného materiálu se používají čtyři bezkontaktní optické pyrometry. Emise se nechají zahřát na jejich provozní teplotu a materiál se potom pod předem stanovený čas přivede pod emitor (emitory). Tento test byl proveden s 1kW wolframem (QTM) a 800W černými dutými prvky (FFEH) připevněnými 75mm nad vzorek, aby se určilo, který ohřívač poskytl nejlepší průnik materiálem.
výsledky
FastIR
V této části jsou uvedeny výsledky nalezené pro wolframové a halogenové trubice u tří dotyčných materiálů. Testy byly prováděny se třemi různými výškami ohřívače (55 mm, 80 mm a 95 mm).
PEEK
Počáteční zkoušky byly provedeny se vzorkem PEEK a dvěma ohřívači FastIR s křemíkovými halogenovými trubkami 1500W oddělenými 110mm. Výsledky tohoto testu, znázorněné na obrázku 4, ukazují, že vzorek nedosáhl požadované teploty.
Prvky byly změněny na krátkovlnné halogenové trubice 2000W (QHL), které ukázaly, že při stejné separaci vzorek dosáhl a překročil požadovanou teplotu na jednom místě. V tomto případě byla maximální zaznamenaná teplota 485 ° C, byly však také detekovány významné teplotní rozdíly (až do 83 ° C). Čas potřebný k dosažení cílové teploty 425 ° C byl 99 sekund. Toho bylo dosaženo pouze na dvou místech
Zkumavky z křemenného wolframu (QTL) (2000W) byly také zkoumány na třech úrovních s maximální teplotou klesající se zvyšující se vzdáleností ohřívače. Při 55mm byla detekována maximální a minimální teplota 520 ° C. Cílová teplota napříč vzorkem materiálu byla dosažena za 206 sekund. Zvětšení vzdálenosti na 80mm, snížené na 450 ° C a 415 ° C a na 95mm nad vzorkem, byly maximální a minimální teploty vzorku 407 a 393 ° C.
Obrázek 4 ukazuje kolísání teploty, které může nastat ve vzorku, v důsledku těsné blízkosti ohřívačů ke vzorku, jakož i času potřebného k zahřátí materiálu na 425 ° C (206 sekund pro 2kW QT topení).
Wolframové trubice 150 ° W nebyly testovány, protože bylo z provozně důležitějšího zvětšit vzdálenost ohřívače než snížit výkon použitých prvků.
Obrázek 5 ukazuje vizuální rozdíl ve vzorku před a po zahřátí.
PEKK
PEKK byl ohříván wolframovými ohřívači 2000W pouze na 55mm. Tepelná odezva materiálu byla vynikající při zaznamenávání teplot vyšších než 500 ° C. Minimální stanovená teplota byla dosažena v 102 sekundách, přičemž maximální zaznamenaná teplota přesáhla 500 ° C.
Bylo patrné, že se zdálo, že tento vzorek vykazuje určité rozštěpení a delaminaci na okrajích a také určité deformace povrchu po zahřátí, jak je znázorněno na obrázku 7, pravděpodobně z absorpce vlhkosti během skladování a rychlého zahřívání, ke kterému došlo.
PPS
Materiál PPS byl testován pomocí halogenových a wolframových ohřívačů 2000W. Halogenový test byl proveden se separací 55mm a wolframové testy při 55mm a 95mm.
Data znovu ukázala, že wolframová trubice byla pro tento materiál lepším ohřívačem (než halogenový ohřívač), přičemž vyšší teploty byly zaznamenávány při separaci 55mm a také větší stejnoměrnost teploty napříč vzorkem. U halogenových ohřívačů byla zaznamenána změna teploty 38 ° C a u wolframových ohřívačů 30 ° C. Tato zaznamenaná změna bude vysoce ovlivněna umístěním termočlánku vzhledem k zkumavkám. Stejná umístění termočlánků nejsou zaručena.
Testy s PPS byly ukončeny brzy poté, co materiál dosáhl požadované teploty 425 ° C, protože ze vzorků došlo k uvolňování kouře vonícího síry.
Ve vzdálenosti 55mm byla cílová teplota zaznamenána po 66 a 88 sekundách pro halogenové a wolframové ohřívače na 55mm. Když byly wolframové ohřívače namontovány ve vzdálenosti 95mm od vzorku, nebyla dosažena cílová teplota.
Black Hollow
Počáteční testy byly provedeny se separací prvku 50mm od prvku a materiálu. Zvýšení teploty materiálu bylo velmi rychlé u všech materiálů. Od studeného startu zaberou duté prvky přibližně 10-12 minut, než se zahřejí na stabilní provozní úroveň (povrchová teplota přibližně 700 ° C). Zvýšení teploty materiálu bylo zhruba podobné topné křivce ohřívače, ale v tom bylo časové zpoždění.
PEEK
Graf času potřebného k zahřátí vzorku PEEK k dosažení požadované teploty zpracování je uveden níže na obrázku 9. To ukazuje, že doba ohřevu na 425 ° C je přibližně 185 sekund od zapnutí ohřívačů na 50mm. Pokud se vzdálenost zvětší na 100mm, čas se prodlouží na 230 sekund. Vzorek byl ponechán mezi oběma deskami během zahřívání a odstraněn pro ochlazení.
PEKK
Čas potřebný k dosažení minimálního prahu PEKK byl o něco delší než u PEEK. Existují dva možné důvody: 1.) Materiál neabsorbuje infračervené záření, stejně jako PEEK a 2.) Tloušťka materiálu je dvakrát větší (1 a 2mm). Čas potřebný k dosažení 425 ° C při 50mm byl 181 sekund a při 100mm se tento čas zvýšil na 244 sekund
PPS
PPS se velmi úspěšně zahřívá, přičemž černé duté prvky s 425 ° C se zaznamenávají v 171 sekundách a 219 sekundách v 50 a 100mm. Topná křivka pro tento materiál je znázorněna na obrázku 11. Opět došlo k uvolnění kouře vonícího sírou, avšak toto množství nebylo tak velké jako u halogenových ohřívačů, jak je uvedeno výše. To může být částečně způsobeno nepřítomností ventilátorů na zadní straně topné desky.
Souhrn časů potřebných pro zahřátí materiálů s halogenovými, wolframovými a dutými keramickými prvky na cílovou teplotu je uveden níže v tabulce 1. Protože montáž halogenových prvků na větší vzdálenosti než 55mm nebyla všeobecně úspěšná, byly tyto výsledky z tabulky vynechány.
|
Materiál |
Typ ohřívače (výkon)
|
Vzdálenost | Čas dosáhnout 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 |
Sendvičové testování
Bylo provedeno sendvičové testování za účelem získání informací o přenosu tepla materiálem. To bylo provedeno zahřátím vzorku z jedné strany, změřením teploty na obou stranách a porovnáním výsledků. Byly zkoumány pouze wolframové trubice a černé duté prvky, protože na základě výsledků FastIR nejsou halogenové trubice s krátkou vlnou vhodné pro příslušné materiály.
Výsledky pro prvky QTM ukazují, že neexistuje žádný významný teplotní rozdíl mezi horním a spodním povrchem pro materiály PEEK a PPS, avšak PPS se zahřívá rychleji a křivky pro tento materiál jsou prakticky nerozeznatelné. Je třeba poznamenat, že tyto dva materiály jsou velmi tenké (≈ 1mm). Jak se očekávalo, teplotní rozdíl pro PEKK byl větší (75 ± 2oC) kvůli jeho tloušťce (≈ 2mm). Tyto výsledky jsou uvedeny na obrázku 12 níže.
Z provozních důvodů se zkouška ukončí, když pyrometry detekují teplotu 300 ° C. Vrchol pozorovaný v prvních 30 sekundách testu je odrazivost a nejedná se o skutečnou hodnotu teploty.
Tyto výsledky ukazují, že pro PEEK a PPS pomocí ohřívače wolframového typu je možné dobré pronikání materiálu IR. Vyrovnávání teploty pro PEKK však není tak dobré, což dokazuje téměř teplotní rozdíl 75 ° C v posledních 18 sekundách testu4.
Nebylo možné přesunout vzorky materiálu blíže k ohřívači, aby bylo možné analyzovat, jaký účinek by to mělo, protože ostrý úhel potřebný k tomu, aby pyrometr viděl, že materiál zkreslí odečet.
Zahřívání vzorků černými dutými prvky ve stejné vzdálenosti (75mm) ukazuje podobný trend s větším teplotním rozdílem (45 ± 2 ° C) pozorovaným pro silnější materiál PEKK (ve srovnání s tenčími materiály). Teploty horního a spodního povrchu PEEK jsou prakticky nerozeznatelné; existuje však rozdíl v teplotě PPS (25 ± 2 ° C). Tato data jsou uvedena na obrázku 13. To ukazuje, že IR penetrace PPS s vyzařováním s delší vlnovou délkou není tak dobrá jako u IR s kratším wolframem, ale teplotní vyrovnání PEKK je lepší (ale ne ideální).
Při separaci 75mm jsou nejvyšší teploty a rychlosti zahřívání získány pomocí wolframového ohřívače, který se zdá být v rozporu s předchozími výsledky přítlaku. To by však nemělo být používáno jako vodítko, protože byl použit pouze jeden ohřívač. Kromě toho budou tyto vlastnosti vylepšeny použitím řady ohřívačů na rozdíl od jediného ohřívače.
Proč investovat do čističky vzduchu?
- Zkoušky, které byly provedeny a podrobně popsány výše, naznačují, že je možné zahřívání tří termoplastických uhlíkových kompozitních materiálů na minimum 425 ° C jak u halogenů středních vln, tak u černých dutých prvků.
- Vyšších maximálních teplot lze dosáhnout pomocí černého dutého prvku Ceramicx 800W (FFEH).
- Doba potřebná k zahřátí PEEK na 425 ° C byla 206 sekund pro ohřívače wolframových trubek 2kW na 55mm a 230 sekund pro FFEH prvky na 100mm
- Čas potřebný k ohřevu PEKK na 425 ° C byl 102 sekund pro ohřívače wolframových trubek 2kW na 55mm a 244 sekund pro FFEH prvky na 100mm
- Čas potřebný k zahřátí PPS na 425 ° C byl 88 sekund pro ohřívače wolframových trubek 2kW na 55mm a 219 sekund pro FFEH prvky na 100mm
- Maximální teploty, dosažitelné rychlosti ohřevu materiálu a rovnoměrnost povrchové teploty jsou silnou funkcí vzdálenosti, ve které jsou ohřívače namontovány od materiálu.
- Vynikající penetrace IR a tím i vyrovnávání teploty, přes tloušťku materiálu, PPS a PEEK bylo dosaženo pomocí středně vlnového halogenu (wolframu). Teplotní vyrovnávání dosažené pomocí PEKK nebylo tak dobré jako u jiných materiálů.
- Vynikající penetrace IR a vyrovnávání teploty byly pozorovány u PEEK pomocí černých dutých prvků. Tato vlastnost nebyla tak dobrá jako u PEKK a PPS.
Na základě výše uvedených zkušebních údajů a úzkých separací prvků a materiálů, které jsou požadovány pro dosažení teplot požadovaných pro vytvoření dotyčných materiálů, se zdá být nejlepším infračerveným zářičem Ceramicx 800W černý plochý plochý dutý prvek. Zatímco časy pro dosažení požadovaných teplot jsou o něco delší než wolframové ohřívače, těsnější blízkost použitých prvků povede k lepší uniformitě povrchové teploty. Kromě toho byly keramické prvky spuštěny z pokojové teploty a vyžadovaly přibližně 12 minut k dosažení provozní úrovně. Proto by tato doba mohla být významně zkrácena předehřátím prvků.
Je třeba také poznamenat, že tyto výsledky jsou založeny na vzorcích, které byly k dispozici pro testování (tj. Tloušťka 1mm a 2mm). Zahřívání tlustších částí může vyžadovat zkoumání významných změn v technologii ohřevu, aby se zajistilo, že teplotní profil po celé tloušťce materiálu je jednotný a vhodný pro následné operace tváření.
1 Polyetheretherketon
2 Polyfenylensulfid
3 Polyetherketoneketon
4 Průměrný rozdíl mezi horním a spodním povrchem odebraným za posledních 18 sekund testu.
Odmítnutí odpovědnosti
Tyto výsledky zkoušek by měly být pečlivě zváženy před tím, než bude určeno, že se použije určitý typ infračerveného zářiče.
Opakované testy provedené jinými společnostmi nemusí dosáhnout stejných zjištění. Rozdíly v experimentálních podmínkách mohou změnit výsledky. Mezi další zdroje chyb patří: použitá značka emitoru, účinnost emitoru, dodaná energie, vzdálenost od testovaného materiálu k použitému emitoru a prostředí. Místa, ve kterých se teplota měří, mohou také způsobit změny ve výsledcích.
