Termoplastisten prepreg-infrapunalämmityselementtien arviointi

TEKIJÄ	PÄIVÄMÄÄRÄ LUOTU	VERSION	ASIAKIRJANUMERO
Tri Peter Marshall	8 huhtikuu 2016	V1.1	CC11 - 00101

esittely

CCP Gransden otti yhteyttä Ceramicxiin rakentaakseen infrapunauunin kuumentamaan termoplastisia hiilikuituprepregimateriaaleja niiden muovausoperaatioihin. Tämä testaustyö suoritettiin osana myyntiehdotuksessa (CSP 000 008) määriteltyjä toimintoja. Ensimmäinen vaihe sisältää infrapunalämmittimen arvioinnin ja valinnan tähän projektiin, materiaalin määrätyn minimilämpötilan ollessa 425 ° C.

Tuotekuvaus

Kolme näytettä kahdesta materiaalista saatiin 230 x 230 x 1mm kappaleina. Näissä tapauksissa matriisi oli PEEK¹ ja PPS². Pieni näyte PEKK: sta³ myös mitat 200 x 150 x 2mm. Materiaali oli jäykkä, sileä ja kiiltävä musta. Pieni kuvio oli näkyvissä PEEK- ja PPS-näytteiden pinnalla.

PEEK- ja PPS-näytteet leikattiin 115 x 115 mm paloiksi. PEKK-materiaali leikattiin 100 x 75mm paloiksi.

Menetelmä

Kaksi erillistä lämmitinperhettä arvioitiin; halogeeni (QH ja QT) ja musta ontto keraaminen (FFEH). Kummassakin tapauksessa levyt asennettiin materiaalinäytteen ylä- ja alapuolelle säädettävällä korkeudella.

FastIR

Valmistettiin asennusjärjestelmä, joka mahdollistaa kahden Ceramicxin FastIR 500 -yksikön asentamisen materiaalin ylä- ja alapuolelle. FastIR 500 koostuu seitsemästä lämmityselementistä, jotka on asennettu rinnakkain 500 x 500 mm -koteloon. Näiden putkien välinen etäisyys on 81mm. Käytettiin 1500W- ja 2000W 'pitkä' (kokonaispituus: 473mm) elementtejä, jotka antoivat kokonaislähdön vastaavasti 21: n tai 28kW: n kahdesta yksiköstä. Lämmitinyksiköt asennettiin siten, että etäisyys elementin pinnan ja näytteen välillä vaihteli välillä 55mm ja 95mm.

Käytetty kokeellinen protokolla oli seuraava:

• Tuulettimet kytketty päälle
• Kolme keskuslämmityselementtiä kytketty päälle, ylhäältä ja alhaalta
• Neljän lämmityselementin ulkopuolella, päällä ja alhaalla

Kuva näytöstä kahden FastIR-yksikön välillä on esitetty kuvassa 1. Mitään ei käytetty sulkemaan kahden lämmitysyksikön välinen aukko

elementit

Kaksi tyyppistä elementtiä voidaan asentaa FastIR-yksiköön; kvartsihalogeeni ja kvartsivolframi. Nämä elementit emittoivat erilaisia ​​infrapuna-aallonpituuksia; halogeeni suunnilleen 1.0 - 1.2μm ja volframi välillä 1.6 - 1.9μm. Jokaisen putken halkaisija on 10mm, kokonaispituus 473mm ja lämmitetty pituus 415mm.

Musta ontto

Muokattu lämmityslaatta suunniteltiin sisällyttämään Ceramicxin 2W FFEH -elementtien 7 x 800-matriisi antaen jokaiselle levylle 11.2kW voimaa. Tämä matriisi suljettiin 510 x 510mm -koteloon ja asennettiin samaan kehykseen kuin yllä yksityiskohtaisesti esitetty FastIR-järjestelmä. Kokeellista protokollaa käytettiin; tuulettimia ei kuitenkaan käytetty näihin levyihin. Näiden elementtien välinen etäisyys oli 65mm.

Käytettiin kahta erilaista elementtinäytteiden etäisyyttä, 50 ja 100mm. Jälleen kahden lämmitysyksikön välinen rako jätettiin auki

elementit

Ceramiksin mustat ontot elementit emittoivat huipun aallonpituudet keskipitkällä tai pitkällä tilassa (2 - 10μm). Jokaisen elementin mitat ovat 245 x 60mm (lxw). Keraamisiin elementteihin liittyvät pidemmät aallonpituudet ovat erittäin tehokkaita kuumentamaan monia polymeerimateriaaleja.

Instrumentit

Tyypin K termoelementit kiinnitettiin näytteen pintaan M3-ruuveilla. Keraamista sementtiä koettiin, mutta tämä ei tarttunut materiaalin pintaan. Vaadittujen korkeiden lämpötilojen vuoksi mikään käytettävissä oleva liima ei pysyisi vakaana, joten mekaanista kiinnitystä pidettiin välttämättömänä. Termoelementit sijaitsivat kunkin näytteen keskellä ja myös 10mm (reuna) ja 30mm (neljännes) reunasta, kuten kuvassa 2 on esitetty. Tämä sijoitti termoelementit suoraan putkielementtien päälle ja elementtien keskelle siten, että suurin lämpötilaero rekisteröidään. Lämpötiladata rekisteröitiin yhden sekunnin välein.

Voileipätestaus

Voileipätesteri on edistyksellinen materiaalien lämpövasteen testauslaite, kuten kuvassa 2 on esitetty. Eri tyyppiset infrapunalämmittimet voidaan asentaa kahteen asentoon pystysuoraan ylös ja alas. Tämä varmistaa, että testattu materiaali voidaan kuumentaa ylhäältä ja / tai alhaalta. Neljää kosketuksettomia optisia pyrometrejä käytetään testattavan materiaalin ylä- ja alapinnan lämpötilan määrittämiseen. Päästöjen annetaan lämmetä käyttölämpötilaansa ja materiaali saatetaan sitten säteilijän (säteilijöiden) alle ennalta määrätyn ajan. Tämä testi suoritettiin sekä 1kW volframilla (QTM) että 800W mustalla ontolla elementillä (FFEH), joka oli asennettu näytteen yläpuolelle 75mm, sen määrittämiseksi, mikä lämmitin antoi parhaimman tunkeutumisen materiaalin läpi.

tulokset

FastIR

Tässä osassa kerrotaan volframi- ja halogeeniputkien tuloksista kolmelle kyseessä olevalle materiaalille. Testit suoritettiin kolmella eri lämmityskorkeudella (55 mm, 80 mm ja 95 mm).

KURKISTAA

Alkuperäiset kokeet suoritettiin PEEK-näytteellä ja kahdella FastIR-lämmittimellä, joissa 1500W kvarts halogeeniputket erotettiin toisistaan ​​110mm. Tämän testin tulokset, jotka on esitetty kuvassa 4, osoittavat, että näyte ei saavuttanut vaadittua lämpötilaa.

Elementit vaihdettiin 2000W lyhytaaltohalogeeniputkiksi (QHL), mikä osoitti, että samalla erotuksella näyte saavutti ja ylitti vaaditun lämpötilan yhdessä paikassa. Tässä tapauksessa enimmäislämpötila oli 485 ° C, mutta havaittiin myös merkittäviä lämpötilaeroja (83 ° C asti). Tarvittava aika lämpötilan 425 ° C saavuttamiseksi oli 99 sekuntia. Tämä saavutettiin vain kahdessa paikassa

Kvartsiwolframiputkia (QTL) (2000W) tutkittiin myös kolmella tasolla, jolloin maksimilämpötila laski, kun lämmittimen etäisyys kasvoi. Kohdassa 55mm havaittiin 520 ° C: n maksim- ja minimilämpötila. Materiaalinäytteen tavoitelämpötila saavutettiin 206 sekunnissa. Nostamalla etäisyyttä 80mm: iin, nämä pienennettiin arvoihin 450 ° C ja 415 ° C ja näytteen yläpuolella olevaan 95mm, näytteen enimmäis- ja minimilämpötilat olivat 407 ja 393 ° C.

Kuvio 4 näyttää lämpötilan vaihtelun, joka voi esiintyä näytteessä lämmittimien läheisyydessä näytteen kanssa, sekä ajan, joka tarvitaan materiaalin lämmittämiseen 425 ° C: seen (206 sekuntia 2kW QT -lämmittimelle).
150 ° W volframiputkia ei testattu, koska toiminnallisesti pidettiin tärkeämpänä lisätä lämmittimen etäisyyttä kuin vähentää käytettyjen elementtien tehoa.

Kuva 5 näyttää näytteen visuaalisen eron ennen kuumennusta ja sen jälkeen.

PEKK

PEKK lämmitettiin vain 2000W volframilämmittimillä vain 55mm. Materiaalin lämpövaste oli erinomainen, kun lämpötilat ylittivät 500 ° C. Vähimmäislämpötila saavutettiin 102 sekunnissa, kun maksimilämpötila oli yli 500 ° C.

Oli havaittavissa, että tämä näyte näytti osoittavan reunanmuotoista hajoamista ja delaminoitumista ja myös joitain pinnan vääristymiä kuumentamisen jälkeen, kuten kuviossa 7 esitetään, mahdollisesti kosteuden imeytymisestä varastoinnin aikana ja tapahtuvasta nopeasta kuumenemisesta.

PPS

PPS-materiaali testattiin 2000W halogeeni- ja volframilämmittimillä. Halogeenikoe suoritettiin erottamalla 55mm ja volframikokeet 55mm ja 95mm.
Tulokset osoittivat jälleen, että volframiputki oli parempi materiaali lämmitin tälle materiaalille (kuin halogeenilämmitin) korkeampien lämpötilojen ollessa merkittynä 55mm-erotuksella ja lämpötilan yhtenäisyyden ollessa näytteessä myös suurempi. 38 ° C: n variaatio rekisteröitiin halogeenilämmittimille ja 30 ° C: n volframilämmittimille. Tähän tallennettuun variaatioon vaikuttaa suuresti lämpöparin sijainti suhteessa putkiin. Lämpöparien identtisiä sijainteja ei taata.

PPS-testit lopetettiin pian sen jälkeen, kun materiaali oli saavuttanut vaaditun lämpötilan 425 ° C, koska näytteistä vapautui rikkihajuisia huuruja.
55mm etäisyydellä tavoitelämpötila rekisteröitiin 66 ja 88 sekuntien jälkeen halogeeni- ja volframilämmittimille vastaavasti 55mm. Kun volframilämmittimet asennettiin 95mm: iin näytteestä, tavoitelämpötilaa ei saavutettu.

Musta ontto

Alkuperäiset testit suoritettiin erottamalla elementti-materiaali 50mm. Materiaalin lämpötilan nousu oli erittäin nopeaa kaikille materiaaleille. Kylmäkäynnistyksestä onttojen elementtien lämmittäminen tasaiselle toimintatasolle (pinnan lämpötila noin 10 ° C) vie noin 12-700 minuuttia. Materiaalin lämpötilan nousu oli suunnilleen samanlainen kuin lämmittimen lämmityskäyrä, mutta tässä oli aikaviive.

KURKISTAA

Jäljempänä kuvassa 9 on esitetty graafinen aika, joka kuluu PEEK-näytteen lämmittämiseen vaaditun käsittelylämpötilan saavuttamiseksi. Tämä osoittaa, että lämmitysaika 425 ° C: seen on noin 185 sekuntia siitä, kun lämmittimet kytketään päälle 50mm. Jos etäisyys kasvatetaan 100mm, aika kasvaa 230 sekunteihin. Näyte jätettiin kahden levyn väliin lämmityksen aikana ja poistettiin jäähdyttämistä varten.

PEKK

Aika, jonka PEKK saavutti minimikynnyksen, oli hiukan pidempi kuin PEEKin. Tähän on kaksi mahdollista syytä: 1.) Materiaali ei absorboi infrapunasäteilyä yhtä hyvin kuin PEEK ja 2.) Materiaalin paksuus on kaksi kertaa niin suuri (1 ja 2mm vastaavasti). Aika, joka tarvitaan saavuttamaan 425 ° C lämpötilassa 50mm, oli 181 sekuntia ja 100mm kohdalla tämä kasvoi 244 sekunniksi

PPS

PPS lämmitettiin erittäin onnistuneesti mustien onttojen elementtien kanssa, jolloin 425 ° C tallennettiin 171 sekunnissa ja 219 sekunnissa vastaavasti 50 ja 100mm. Tämän materiaalin lämmityskäyrä on esitetty kuvassa 11. Jälleen tapahtui rikkihajuisen savun vapautumista, mutta tämän määrä ei ollut niin suuri kuin halogeenilämmittimissä, kuten yllä on kuvattu. Tämä voi johtua osittain siitä, että lämmityslevyn takana ei ole puhaltimia.

Seuraavassa taulukossa 1 on yhteenveto ajoista, jotka tarvitaan materiaalien lämmittämiseen halogeeni-, volframi- ja onttokeraamisilla elementeillä tavoitelämpötilaan. Koska halogeenielementtien asentaminen pidemmälle etäisyydelle kuin 55mm ei ollut yleisesti onnistunut, nämä tulokset jätettiin taulukosta pois.

Materiaali	Lämmittimen tyyppi (teho)	Etäisyys	Aika saavuttaa 425 ° C
KURKISTAA	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

Voileipätestaus

Voileipätestauksia tehtiin saadakseen tietoa lämmön siirtymisestä materiaalin läpi. Tämä tehtiin kuumentamalla näytettä yhdeltä puolelta, mittaamalla lämpötila molemmilta puolilta ja vertaamalla tuloksia. Vain volframiputkia ja mustia onttoja elementtejä tutkittiin, koska FastIR-tulosten perusteella lyhytaaltogeeniset halogeeniputket eivät ole sopivia lämmittimiä kyseisille materiaaleille.

QTM-elementtien tulokset osoittavat, että PEEK- ja PPS-materiaaleissa ei ole merkittävää lämpötilaeroa ylä- ja alapinnan välillä, mutta PPS kuumenee nopeammin ja tämän materiaalin käyrät ovat käytännössä erottamattomat. On huomattava, että nämä kaksi materiaalia ovat erittäin ohuita (≈ 1mm). Kuten odotettiin, PEKK: n lämpötilaero oli suurempi (75 ± 2oC) paksuudensa vuoksi (≈ 2mm). Nämä tulokset on esitetty alla olevassa kuvassa 12.

Toiminnallisista syistä testi päättyy, kun pyrometrit havaitsevat lämpötilan 300 ° C. Kokeen ensimmäisissä 30-sekunnissa nähty huippu on heijastuskyky, eikä se ole oikea lämpötilalukema.

Nämä tulokset osoittavat, että PEEK: lle ja PPS: lle materiaalin hyvä IR-tunkeutuminen on mahdollista volframityyppisellä lämmittimellä. Lämpötilan tasaaminen PEKK: lla ei kuitenkaan ole yhtä hyvä, osoittaa melkein 75 ° C: n lämpötilaero test18: n viimeisissä 4-sekunnissa.

Materiaalinäytteitä ei ollut mahdollista siirtää lähemmäksi lämmitintä analysoidakseen mitä vaikutuksia sillä olisi, koska akuutti kulma, jota tarvitaan pyrometrillä nähdäksesi materiaalia, vääristäisi lukemaa.

Näytteiden kuumentaminen mustilla onttoelementeillä samalla etäisyydellä (75mm) osoittaa samanlaista trendiä, kun paksummassa PEKK-materiaalissa havaitaan suurempi lämpötilaero (45 ± 2 ° C) (verrattuna ohuempiin materiaaleihin). PEEKin ylä- ja alapintojen lämpötilat ovat käytännössä erottamattomat; PPS: n lämpötilassa on kuitenkin ero (25 ± 2 ° C). Nämä tiedot esitetään kuvassa 13. Tämä osoittaa, että PPS: n IR-tunkeutuminen pitemmällä aallonpituussäteilyllä ei ole yhtä hyvä kuin lyhyemmällä volframi-IR: llä, mutta PEKK: n lämpötilan tasaus on parempi (mutta ei ihanteellinen).

75mm-erotuksessa korkeimmat lämpötilat ja lämmitysnopeudet saadaan käyttämällä volframilämmitintä, joka näyttää olevan ristiriidassa aikaisempien levyn tulosten kanssa. Tätä ei kuitenkaan tulisi käyttää ohjeena, koska vain yksi lämmitin käytettiin. Lisäksi näitä ominaisuuksia parannetaan käyttämällä lämmittimien ryhmää kuin yksi lämmitin.

Yhteenveto

• Edellä esitetyt ja yksityiskohtaiset testit osoittavat, että kolmen termoplastisen hiili-komposiittimateriaalin kuumentaminen vähintään 425 ° C: seen on mahdollista sekä keskiaallon halogeenilla että mustalla ontolla elementillä.
• Korkeammat maksimilämpötilat voidaan saavuttaa käyttämällä Ceramicx 800W mustaa onttoa elementtiä (FFEH).
• Aika, joka tarvitaan PEEKin lämmittämiseen 425 ° C: seen, oli 206 sekuntia 2kW volframiputkilämmittimillä 55mm ja 230 sekuntia FFEH elementteillä 100mm.
• Aika, joka tarvitaan PEKK: n lämmittämiseen 425 ° C: seen, oli 102 sekuntia 2kW volframiputkilämmittimillä 55mm ja 244 sekuntia FFEH elementteillä 100mm.
• PPS: n lämmittämiseen 425 ° C: seen tarvittava aika oli 88 sekuntia 2kW volframiputkilämmittimillä 55mm ja 219 sekuntia FFEH elementteillä 100mm.
• Suurimmat lämpötilat, saavutettavat materiaalin lämmitysnopeudet ja pinnan lämpötilan tasaisuus ovat vahva etäisyys, johon lämmittimet on asennettu materiaalista.
• PPS: n ja PEEK: n erinomainen IR-tunkeutuminen ja siten lämpötilan tasaus materiaalin paksuuden kautta saavutettiin keskiaallon halogeenilla (volframi). PEKK: lla saavutettu lämpötilan tasaus ei ollut yhtä hyvä kuin muilla materiaaleilla.
• Erinomainen IR-tunkeutuminen ja lämpötilan tasaus havaittiin PEEK: llä käyttämällä mustia onttoja elementtejä. Tämä ominaisuus ei ollut yhtä hyvä kuin PEKK: lla ja PPS: llä.

Yllä olevien testitietojen ja kyseisten materiaalien muodostamiseksi vaadittujen lämpötilojen saavuttamiseksi tarvittavien läheisten elementti-materiaalierottelujen perusteella näyttää siltä, ​​että paras infrapunasäteilijä on Ceramicx 800W musta, täysin litteä ontto elementti. Vaikka vaadittujen lämpötilojen saavuttamisajat ovat hiukan pidempiä kuin volframilämmittimet, käytettyjen elementtien lähempi läheisyys johtaa parempaan pinnan lämpötilan tasaisuuteen. Lisäksi keraamiset elementit käynnistettiin huoneenlämmöstä ja vaativat noin 12 min saavuttamaan toimintatasot. Siksi tätä aikaa voitaisiin lyhentää merkittävästi lämmittämällä elementit.

On myös huomattava, että nämä tulokset perustuvat näytteisiin, jotka annettiin testattavaksi (ts. Paksuus 1mm ja 2mm). Paksempien osien lämmittäminen voi vaatia merkittäviä muutoksia lämmitysteknologiassa tutkittavaksi, jotta varmistetaan, että lämpötilaprofiili koko materiaalin paksuudessa on tasainen ja sopiva seuraaviin muovausoperaatioihin.

¹ Polyeetterieetteriketoni
² Polyfenyleenisulfidi
³ Polyeetteriketoniketoni
⁴ Ylä- ja alapintojen keskimääräinen ero testin viimeisillä 18 sekunnilla.

---

Vastuun kieltäminen

Nämä testitulokset tulee harkita huolellisesti ennen tietyn tyyppistä infrapunasäteilijää.
Muiden yritysten suorittamat toistuvat testit eivät välttämättä anna samoja havaintoja. Erot kokeellisissa olosuhteissa voivat muuttaa tuloksia. Muita virhelähteitä ovat: käytetyn emitterin merkki, emitterin tehokkuus, syötetty teho, etäisyys testatusta materiaalista käytettyyn emitteriin ja ympäristö. Paikat, joissa lämpötila mitataan, voivat myös aiheuttaa vaihtelua tuloksissa.