| AUTOR | DATUM ERSTELLT | VERSION | DOKUMENTNUMMER |
|---|---|---|---|
| Dr. Peter Marshall | 8 April 2016 | V1.1 | CC11 - 00101 |
Einleitung
CCP Gransden wandte sich an Ceramicx, um einen Infrarotofen zu bauen, in dem thermoplastische Kohlefaser-Prepreg-Materialien für ihre Umformvorgänge erhitzt werden. Diese Testarbeiten wurden im Rahmen der im Verkaufsvorschlag (CSP 000 008) definierten Funktionen durchgeführt. Die erste Phase umfasst die Bewertung und Auswahl der Infrarotheizung für dieses Projekt, wobei die festgelegte Mindestmaterialtemperatur 425 ° C beträgt.
Materialbeschreibung
Drei Proben von zwei Materialien wurden in 230 x 230 x 1mm-Stücken erhalten. In diesen Fällen war die Matrix PEEK1 und PPS2. Eine kleinere Probe von PEKK3 mit Abmessungen von 200 x 150 x 2mm wurde ebenfalls erhalten. Das Material war starr, glatt und glänzend schwarz. Auf der Oberfläche der PEEK- und PPS-Proben war ein kleines Muster sichtbar.
Die PEEK- und PPS-Proben wurden in 115 x 115 mm-Stücke geschnitten. Das PEKK-Material wurde in 100 x 75mm-Stücke geschnitten.
Versandart
Es wurden zwei verschiedene Heizerfamilien bewertet; Halogen (QH und QT) und schwarze Hohlkeramik (FFEH). In jedem Fall wurden die Platten mit einstellbarer Höhe über und unter der Materialprobe angebracht.
FastIR
Es wurde ein Montagesystem hergestellt, mit dem zwei FastIR 500-Geräte von Ceramicx über und unter dem Material montiert werden können. Ein FastIR 500 besteht aus sieben Heizelementen, die parallel in einem 500 x 500 mm Gehäuse montiert sind. Der Abstand zwischen diesen Rohren beträgt 81mm. Es wurden 'lange' 1500W- und 2000W-Elemente (Gesamtlänge: 473mm) verwendet, die eine Gesamtleistung aus den beiden Einheiten von 21 bzw. 28kW ergaben. Die Heizeinheiten wurden so montiert, dass der Abstand zwischen der Elementoberfläche und der Probe zwischen 55mm und 95mm variiert wurde.
Das verwendete Versuchsprotokoll war wie folgt:
- Lüfter eingeschaltet
- Zentrale drei Heizelemente eingeschaltet, oben und unten
- Draußen vier Heizelemente eingeschaltet, oben und unten
Ein Bild einer Probe zwischen den beiden FastIR-Einheiten ist in Abbildung 1 dargestellt. Es wurde nichts verwendet, um die Lücke zwischen den beiden Heizeinheiten zu schließen
verschiedenste Komponenten
In der FastIR-Einheit können zwei Arten von Elementen montiert werden. Quarzhalogen und Quarzwolfram. Diese Elemente senden unterschiedliche infrarote Spitzenwellenlängen aus; Halogen bei ungefähr 1.0 - 1.2μm und Wolfram zwischen 1.6 - 1.9μm. Jedes Rohr hat einen Durchmesser von 10mm, eine Gesamtlänge von 473mm und eine beheizte Länge von 415mm.
Black Hollow
Eine kundenspezifische Heizplatte wurde entwickelt, um eine 2 x 7-Matrix aus Ceramicx-800W-FFEH-Elementen aufzunehmen, die jeder Platte eine 11.2kW-Leistung verleiht. Diese Matrix wurde in ein 510 x 510mm-Gehäuse eingeschlossen und im selben Rahmen wie das oben beschriebene FastIR-System montiert. Das experimentelle Protokoll wurde verwendet; Bei diesen Platten wurden jedoch keine Lüfter eingesetzt. Der Abstand zwischen diesen Elementen betrug 65mm.
Es wurden zwei verschiedene Element-Proben-Abstände verwendet, 50 und 100mm. Auch hier wurde der Spalt zwischen den beiden Heizeinheiten offen gelassen
verschiedenste Komponenten
Schwarze Ceramicx-Hohlkörper emittieren Spitzenwellenlängen im mittleren bis langen Bereich (2 - 10μm). Jedes Element hat die Abmessungen 245 x 60mm (lxb). Die längeren Wellenlängen, die mit keramischen Elementen verbunden sind, sind zum Erhitzen vieler polymerer Materialien sehr effizient.
Anzeigen / Instrumente
Thermoelemente vom Typ K wurden mit M3-Schrauben an der Oberfläche der Probe befestigt. Es wurde Keramikzement getestet, der jedoch nicht an der Oberfläche des Materials haftete. Angesichts der erforderlichen hohen Temperaturen würde kein verfügbarer Klebstoff stabil bleiben, so dass eine mechanische Fixierung als notwendig erachtet wurde. Die Thermoelemente befanden sich in der Mitte jeder Probe sowie 10mm (Kante) und 30mm (Viertel) von der Kante entfernt, wie in Abbildung 2 gezeigt. Dadurch wurden die Thermoelemente direkt über den Rohrelementen und in der Mitte zwischen den Elementen angeordnet, so dass die maximale Temperaturdifferenz aufgezeichnet werden würde. Die Temperaturdaten wurden in Einzelsekundenintervallen aufgezeichnet.
Sandwich-Test
Der Sandwich-Tester ist eine fortschrittliche Maschine zur Prüfung des thermischen Ansprechverhaltens von Materialien, wie in Abbildung 2 dargestellt. Verschiedene Arten von Infrarotstrahlern können in zwei Positionen montiert werden, die vertikal nach oben und unten zeigen. Dies stellt sicher, dass das getestete Material von oben und / oder unten erwärmt werden kann. Mit vier berührungslosen optischen Pyrometern wird die Ober- und Unterflächentemperatur des getesteten Materials bestimmt. Die Strahler dürfen sich auf ihre Betriebstemperatur erwärmen und das Material wird dann für eine vorbestimmte Zeitdauer unter die Strahler gebracht. Dieser Test wurde sowohl mit 1kW Wolfram (QTM) als auch mit 800W schwarzen Hohlelementen (FFEH) durchgeführt, die 75mm über der Probe angebracht waren, um zu bestimmen, welcher Heizer die beste Penetration durch das Material ergab.
Die Ergebnisse
FastIR
In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse für Wolfram- und Halogenröhrchen für die drei fraglichen Materialien beschrieben. Die Tests wurden mit drei verschiedenen Heizhöhen (55 mm, 80 mm und 95 mm) durchgeführt.
PEEK
Erste Versuche wurden mit einer PEEK-Probe und den beiden FastIR-Heizelementen mit 1500W-Quarzhalogenröhren durchgeführt, die durch 110mm voneinander getrennt waren. Die in Abbildung 4 gezeigten Ergebnisse dieses Tests zeigen, dass die Probe die erforderliche Temperatur nicht erreicht hat.
Die Elemente wurden gegen 2000W-Kurzwellenhalogenröhren (QHL) ausgetauscht, die zeigten, dass bei derselben Trennung die Probe an einer Stelle die erforderliche Temperatur erreichte und überschritt. In diesem Fall betrug die gemessene Maximaltemperatur 485 ° C, es wurden jedoch auch signifikante Temperaturunterschiede (bis zu 83 ° C) festgestellt. Die zum Erreichen der Zieltemperatur von 425 ° C erforderliche Zeit betrug 99 Sekunden. Dies wurde nur an zwei Standorten erreicht
Quarzwolfram (QTL) -Röhren (2000W) wurden ebenfalls auf den drei Ebenen untersucht, wobei die maximale Temperatur mit zunehmendem Heizungsabstand abfiel. Bei 55mm wurde eine maximale und minimale Temperatur von 520 ° C festgestellt. Die Zieltemperatur über die Materialprobe wurde in 206 Sekunden erreicht. Durch Erhöhen des Abstands auf 80 mm wurden diese auf 450 ° C und 415 ° C verringert, und bei 95 mm über der Probe betrugen die maximalen und minimalen Temperaturen der Probe 407 und 393 ° C.
Abbildung 4 zeigt die Temperaturschwankung, die in der gesamten Probe aufgrund der Nähe der Heizelemente zur Probe auftreten kann, sowie die Zeit, die erforderlich ist, um das Material auf 425 ° C zu erwärmen (206 Sekunden für 2kW QT-Heizelement).
150 ° W Wolframröhren wurden nicht getestet, da es betrieblich wichtiger war, den Heizungsabstand zu vergrößern, als die Leistung der verwendeten Elemente zu verringern.
Abbildung 5 zeigt den visuellen Unterschied in der Probe vor und nach dem Erhitzen.
PEKK
PEKK wurde nur mit 2000W-Wolframheizungen auf 55mm erwärmt. Die thermische Reaktion des Materials war ausgezeichnet, wobei Temperaturen über 500 ° C aufgezeichnet wurden. Die vorgeschriebene Mindesttemperatur wurde in 102 Sekunden erreicht, wobei die aufgezeichnete Höchsttemperatur über 500 ° C lag.
Es war erkennbar, dass diese Probe nach dem Erhitzen, wie in Abbildung 7 gezeigt, einige Risse und Delaminationen an den Rändern sowie Oberflächenverzerrungen aufwies, möglicherweise aufgrund der Feuchtigkeitsaufnahme während der Lagerung und des raschen Erhitzens.
PPS
Das PPS-Material wurde mit 2000W-Halogen- und Wolframheizungen getestet. Der Halogentest wurde mit einer Trennung von 55mm und die Wolframtests bei 55mm und 95mm durchgeführt.
Die Daten zeigten erneut, dass das Wolframrohr ein besseres Heizelement für dieses Material (als das Halogenheizelement) war, wobei höhere Temperaturen bei der 55mm-Trennung und auch eine gleichmäßigere Temperatur über die Probe aufgezeichnet wurden. Eine Variation von 38 ° C wurde für die Halogenheizungen und 30 ° C für Wolframheizungen aufgezeichnet. Diese aufgezeichnete Variation wird stark von der Position des Thermoelements relativ zu den Rohren beeinflusst. Identische Thermoelementpositionen können nicht garantiert werden.
Tests mit PPS wurden abgebrochen, kurz nachdem das Material die erforderliche Temperatur von 425 ° C erreicht hatte, da Schwefelgeruch aus den Proben freigesetzt wurde.
In einem Abstand von 55mm wurde die Zieltemperatur nach 66 und 88 Sekunden für Halogen- bzw. Wolframheizungen bei 55mm aufgezeichnet. Wenn die Wolframheizungen mit 95mm von der Probe montiert wurden, wurde die Zieltemperatur nicht erreicht.
Black Hollow
Erste Tests wurden mit einer Element-Material-Trennung von 50mm durchgeführt. Der Temperaturanstieg des Materials war für alle Materialien sehr schnell. Nach einem Kaltstart benötigen Hohlkörper ca. 10-12 Minuten, um sich auf ein stabiles Betriebsniveau zu erwärmen (Oberflächentemperatur von ca. 700 ° C). Die Materialtemperaturerhöhung ähnelte weitgehend der Heizkurve des Heizgerätes, wobei jedoch eine zeitliche Verzögerung auftrat.
PEEK
Ein Diagramm der Zeit, die benötigt wurde, um die PEEK-Probe auf die erforderliche Verarbeitungstemperatur zu erwärmen, ist in Abbildung 9 dargestellt. Dies zeigt, dass die Aufheizzeit auf 425 ° C ca. 185 Sekunden ab dem Einschalten der Heizungen bei 50mm beträgt. Wenn der Abstand auf 100mm erhöht wird, wird die Zeit auf 230 Sekunden erhöht. Die Probe wurde während des Aufheizens zwischen den beiden Platten belassen und zum Abkühlen entnommen.
PEKK
Die Zeit, die PEKK benötigte, um den Mindestschwellenwert zu erreichen, war geringfügig länger als bei PEEK. Dafür gibt es zwei mögliche Gründe: 1.) Das Material absorbiert nicht die Infrarotstrahlung sowie PEEK und 2.) Die Materialdicke ist doppelt so groß (1 bzw. 2mm). Die Zeit, die erforderlich war, um 425 ° C bei 50mm zu erreichen, betrug 181 Sekunden, und bei 100mm erhöhte sich diese Zeit auf 244 Sekunden
PPS
PPS erwärmte sich sehr erfolgreich, wobei die schwarzen Hohlelemente mit 425 ° C in 171 Sekunden und 219 Sekunden bei 50 bzw. 100mm aufgezeichnet wurden. Die Heizkurve für dieses Material ist in Abbildung 11 dargestellt. Wiederum trat eine Freisetzung von schwefelriechendem Rauch auf, jedoch war die Menge davon nicht so groß wie bei den oben beschriebenen Halogenheizungen. Dies kann teilweise auf das Fehlen von Lüftern auf der Rückseite der Heizplatte zurückzuführen sein.
Eine Zusammenfassung der Zeiten, die erforderlich sind, um die Materialien mit Halogen-, Wolfram- und Hohlkeramikelementen auf die Zieltemperatur zu erwärmen, ist in Tabelle 1 unten gezeigt. Da die Montage der Halogenelemente über größere Entfernungen als 55mm nicht allgemein erfolgreich war, wurden diese Ergebnisse in der Tabelle weggelassen.
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Werkstoff |
Heizungstyp (Leistung)
|
Entfernung | Zeit, um 425 ° C zu erreichen |
|---|---|---|---|
| PEEK | QHL (2kW) | 55 mm | 99 |
| QTL (2kW) | 55 mm | 206 | |
| FFEH (800W) | 50 mm | 185 | |
| FFEH (800W) | 100 mm | 230 | |
| PEKK | QTL (2kW) | 55 mm | 102 |
| FFEH (800W) | 50 mm | 181 | |
| FFEH (800W) | 100 mm | 244 | |
| PPS | QHL (2kW) | 55 mm | 66 |
| QTL (2kW) | 55 mm | 88 | |
| FFEH (800W) | 50 mm | 171 | |
| FFEH (800W) | 100 mm | 219 |
Sandwich-Test
Sandwich-Tests wurden durchgeführt, um Informationen über die Wärmeübertragung durch das Material zu erhalten. Dazu wurde die Probe von einer Seite erwärmt, die Temperatur auf beiden Seiten gemessen und die Ergebnisse verglichen. Es wurden nur Wolframröhren und schwarze Hohlkörper untersucht, da nach den FastIR-Ergebnissen die kurzwelligen Halogenröhren nicht für die jeweiligen Werkstoffe geeignet sind.
Die Ergebnisse für QTM-Elemente zeigen, dass es keinen signifikanten Temperaturunterschied zwischen der oberen und unteren Oberfläche von PEEK- und PPS-Materialien gibt. PPS erwärmt sich jedoch schneller und die Kurven für dieses Material sind praktisch nicht unterscheidbar. Es ist zu beachten, dass diese beiden Materialien sehr dünn sind (≈ 1mm). Wie erwartet war der Temperaturunterschied für PEKK aufgrund seiner Dicke (≈ 75mm) größer (2 ± 2oC). Diese Ergebnisse sind in Abbildung 12 unten dargestellt.
Aus betrieblichen Gründen wird der Test beendet, wenn die Pyrometer eine Temperatur von 300 ° C erfassen. Der in den ersten 30-Sekunden des Tests festgestellte Peak ist das Reflexionsvermögen und keine echte Temperaturmessung.
Diese Ergebnisse zeigen, dass eine gute IR-Penetration des Materials für PEEK und PPS unter Verwendung der Heizung vom Wolfram-Typ möglich ist. Der Temperaturausgleich für PEKK ist jedoch nicht so gut, wie der Temperaturunterschied von fast 75 ° C in den letzten 18 Sekunden des Tests 4 zeigt.
Es war nicht möglich, die Materialproben näher an die Heizung zu bewegen, um zu analysieren, welchen Effekt dies haben würde, da der spitze Winkel, den das Pyrometer benötigt, um das Material zu sehen, den Messwert verfälschen würde.
Die Erwärmung der Proben mit schwarzen Hohlelementen im gleichen Abstand (75mm) zeigt einen ähnlichen Trend, wobei für das dickere PEKK-Material (im Vergleich zu den dünneren Materialien) ein größerer Temperaturunterschied (45 ± 2 ° C) beobachtet wird. Die Temperaturen der Ober- und Unterseite von PEEK sind praktisch nicht zu unterscheiden. Es gibt jedoch einen Unterschied in der Temperatur von PPS (25 ± 2 ° C). Diese Daten sind in Abbildung 13 dargestellt. Dies weist darauf hin, dass die IR-Penetration von PPS bei längerwelliger Strahlung nicht so gut ist wie bei kürzerer Wolfram-IR, der Temperaturausgleich von PEKK jedoch besser (aber nicht ideal) ist.
Bei der 75mm-Trennung werden die höchsten Temperaturen und Heizraten mit dem Wolframheizgerät erzielt, was den vorherigen Druckplattenergebnissen zu widersprechen scheint. Dies sollte jedoch nicht als Richtlinie verwendet werden, da nur eine einzige Heizung verwendet wurde. Darüber hinaus werden diese Eigenschaften durch die Verwendung einer Reihe von Heizelementen im Gegensatz zu einem einzelnen Heizelement verbessert.
Zusammenfassung
- Die oben durchgeführten und detaillierten Tests zeigen, dass das Erhitzen der drei thermoplastischen Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe auf ein Minimum von 425 ° C sowohl mit mittelwelligem Halogen als auch mit schwarzen Hohlelementen möglich ist.
- Höhere Maximaltemperaturen sind mit dem schwarzen Hohlelement Ceramicx 800W (FFEH) erreichbar.
- Die zum Erhitzen von PEEK auf 425 ° C erforderliche Zeit betrug 206 Sekunden für 2kW-Wolframrohrheizungen bei 55mm und 230 Sekunden für FFEH-Elemente bei 100mm
- Die zum Erhitzen von PEKK auf 425 ° C erforderliche Zeit betrug 102 Sekunden für 2kW-Wolframrohrheizungen bei 55mm und 244 Sekunden für FFEH-Elemente bei 100mm
- Die zum Erhitzen von PPS auf 425 ° C erforderliche Zeit betrug 88 Sekunden für 2kW-Wolframrohrheizungen bei 55mm und 219 Sekunden für FFEH-Elemente bei 100mm
- Die maximalen Temperaturen, die erreichbaren Materialheizraten und die Gleichmäßigkeit der Oberflächentemperatur hängen stark vom Abstand ab, in dem die Heizelemente vom Material montiert werden.
- Mit mittelwelligem Halogen (Wolfram) wurde eine hervorragende IR-Penetration und damit ein Temperaturausgleich durch die Materialstärke von PPS und PEEK erreicht. Der mit PEKK erzielte Temperaturausgleich war nicht so gut wie mit den anderen Materialien.
- Eine hervorragende IR-Penetration und ein ausgezeichneter Temperaturausgleich wurden mit PEEK unter Verwendung schwarzer Hohlelemente beobachtet. Diese Eigenschaft war nicht so gut wie für PEKK und PPS.
Basierend auf den obigen Testdaten und den engen Element-Material-Abständen, die erforderlich sind, um die Temperaturen zu erreichen, die zur Bildung der fraglichen Materialien erforderlich sind, scheint es, dass der beste Infrarotstrahler Ceramicx 800W black full flat hollow element ist. Während die Zeiten zum Erreichen der erforderlichen Temperaturen etwas länger sind als bei den Wolframheizungen, führt die engere Nachbarschaft der verwendeten Elemente zu einer besseren Gleichmäßigkeit der Oberflächentemperatur. Darüber hinaus wurden die Keramikelemente bei Raumtemperatur gestartet und benötigten ungefähr 12 Minuten, um die Betriebstemperatur zu erreichen. Daher könnte diese Zeit durch Vorheizen der Elemente erheblich verkürzt werden.
Es ist auch zu beachten, dass diese Ergebnisse auf den Proben basieren, die für Tests zur Verfügung gestellt wurden (dh 1mm und 2mm in der Dicke). Das Erhitzen dickerer Teile erfordert möglicherweise erhebliche Änderungen in der zu untersuchenden Heiztechnologie, um sicherzustellen, dass das Temperaturprofil über die Materialdicke hinweg gleichmäßig und für nachfolgende Umformvorgänge geeignet ist.
1 Polyetheretherketon
2 Polyphenylensulfid
3 Polyetherketonketon
4 Durchschnittliche Differenz zwischen oberer und unterer Oberfläche in den letzten 18-Sekunden des Tests.
Haftungsausschluss
Diese Testergebnisse sollten sorgfältig abgewogen werden, bevor ein bestimmter Typ eines Infrarotstrahlers zum Einsatz kommt.
Wiederholungstests anderer Unternehmen führen möglicherweise nicht zu den gleichen Ergebnissen. Unterschiede in den Versuchsbedingungen können die Ergebnisse verändern. Andere Fehlerquellen sind: die Marke des verwendeten Emitters, die Effizienz des Emitters, die gelieferte Leistung, der Abstand zwischen dem getesteten Material und dem verwendeten Emitter sowie die Umgebung. Die Orte, an denen die Temperatur gemessen wird, können ebenfalls Abweichungen in den Ergebnissen verursachen.
