| AUTOR | DATUM STVARAN | VERZIJA | BROJ DOKUMENTA |
|---|---|---|---|
| dr. Peter Marshall | 8 travnja 2016 | V1.1 | CC11 - 00101 |
Uvod
CCP Gransden obratio se tvrtki Ceramicx kako bi izradio infracrvenu pećnicu za zagrijavanje termoplastičnih materijala od preprega od karbonskih vlakana za njihove postupke oblikovanja. Ovaj ispitni rad izveden je kao dio funkcija definiranih prodajnim prijedlogom (CSP 000 008). Prva faza uključuje procjenu i odabir infracrvenog grijača za ovaj projekt, s predviđenom minimalnom temperaturom materijala od 425 ° C.
Opis materijala
Primljena su tri uzorka dvaju materijala u komadima 230 x 230 x 1 mm. U tim je slučajevima matrica bila PEEK1 i PPS2. Manji uzorak PEKK3 s dimenzijama 200 x 150 x 2 mm. Materijal je bio krut, gladak sa sjajnom crnom završnom obradom. Mali uzorak bio je vidljiv na površini na površini uzoraka PEEK i PPS.
Uzorci PEEK i PPS izrezani su na komade od 115 x 115 mm. Materijal PEKK izrezan je na dijelove od 100 x 75 mm.
način
Procijenjene su dvije različite obitelji grijača; halogen (QH i QT) i crna šuplja keramika (FFEH). U svakom su slučaju ploče postavljene iznad i ispod uzorka materijala s podesivom visinom.
FastIR
Izrađen je sustav za montiranje koji omogućava postavljanje dviju Ceramicxovih FastIR 500 jedinica iznad i ispod materijala. FastIR 500 sastoji se od sedam grijaćih elemenata koji su paralelno montirani unutar kućišta 500 x 500 mm. Razmak između ovih cijevi je 81 mm. Korišteni su elementi od 1500 W i 2000 W (ukupne duljine: 473 mm) koji daju ukupnu snagu od dvije jedinice od 21, odnosno 28 kW. Jedinice grijača montirane su tako da udaljenost između površine elementa i uzorka varira između 55 mm i 95 mm.
Korišteni eksperimentalni protokol bio je sljedeći:
- Uključili su se navijači
- Uključena su centralna tri grijaća elementa, gore pa dolje
- Izvana su uključena četiri grijaća elementa, gore pa dolje
Slika uzorka između dvije FastIR jedinice prikazana je na slici 1. Ništa nije korišteno za zatvaranje praznine između dvije grijaće jedinice
Elementi
U FastIR jedinicu mogu se ugraditi dvije vrste elemenata; kvarcni halogen i kvarcni volfram. Ti elementi emitiraju različite vršne infracrvene valne duljine; halogena na približno 1.0 - 1.2 μm i volframa između 1.6 - 1.9 μm. Svaka cijev ima promjer 10 mm, ukupnu duljinu 473 mm i grijanu duljinu 415 mm.
Crna šupljina
Prilagođeni kotao za grijanje dizajniran je da uključi matricu 2 x 7 Ceramicxovih 800W FFEH elemenata, dajući svakom valjku 11.2kW snage. Ova je matrica bila zatvorena u kućište 510 x 510 mm i postavljena u isti okvir kao i FastIR sustav detaljno opisan gore. Korišten je eksperimentalni protokol; međutim, navijači nisu bili zaposleni na tim pločama. Udaljenost između ovih elemenata bila je 65 mm.
Korištene su dvije različite udaljenosti od uzorka elementa, 50 i 100 mm. Opet, jaz između dviju grijaćih jedinica ostao je otvoren
Elementi
Crni šuplji elementi Ceramicx emitiraju vršne valne duljine u srednje do dugom režimu (2 - 10 μm). Svaki element ima dimenzije 245 x 60 mm (lxw). Dulje valne duljine povezane s keramičkim elementima vrlo su učinkovite za zagrijavanje mnogih polimernih materijala.
Instrumentacija
Termoparovi tipa K pričvršćeni su na površinu uzorka pomoću vijaka M3. Ispitan je keramički cement, međutim on nije prianjao na površinu materijala. S obzirom na potrebne visoke temperature, nijedno dostupno ljepilo ne bi ostalo stabilno, pa se smatralo da je potrebno mehaničko učvršćivanje. Termoparovi su bili smješteni u središtu svakog uzorka, a također su udaljeni 10 mm (rub) i 30 mm (četvrtina) od ruba, kao što je prikazano na slici 2. Time su termoparovi smješteni izravno preko elemenata cijevi i u središtu između elemenata tako da maksimalna zabilježila bi se temperaturna razlika. Podaci o temperaturi bilježeni su u intervalima od jedne sekunde.
Ispitivanje sendviča
Ispitivač sendviča napredni je stroj za ispitivanje toplinskog odgovora materijala kako je prikazano na slici 2. Razne vrste infracrvenih grijača mogu se montirati u dva položaja, okomito prema gore i dolje. To osigurava da se ispitivani materijal može zagrijati s gornje i / ili donje strane. Za određivanje temperature gornje i donje površine ispitivanog materijala koriste se četiri beskontaktna optička pirometra. Emiteri se smiju zagrijati na svoju radnu temperaturu, a materijal se zatim stavlja pod emiter (e) unaprijed određeno vrijeme. Ovo ispitivanje provedeno je s 1 kW volframom (QTM) i 800 W crnim šupljim elementima (FFEH) montiranima 75 mm iznad uzorka kako bi se utvrdilo koji grijač daje najbolji prodor kroz materijal.
Rezultati
FastIR
Ovaj odjeljak izvještava o rezultatima nađenim za volframove i halogene cijevi za tri predmetna materijala. Ispitivanja su provedena s tri različite visine grijača (55 mm, 80 mm i 95 mm).
PEEK
Početna ispitivanja provedena su s uzorkom PEEK i dva FastIR grijača s kvarcnim halogenim cijevima od 1500 W odvojene 110 mm. Rezultati ovog ispitivanja, prikazani na slici 4, pokazuju da uzorak nije postigao potrebnu temperaturu.
Elementi su promijenjeni u 2000W kratkovalne halogene cijevi (QHL), što je pokazalo da je u isto vrijeme razdvajanja uzorak dosegao i premašio potrebnu temperaturu na jednom mjestu. U ovom je slučaju zabilježena maksimalna temperatura bila 485 ° C, međutim, također su otkrivene značajne temperaturne razlike (do 83 ° C). Vrijeme potrebno za postizanje ciljne temperature od 425 ° C bilo je 99 sekundi. To je postignuto samo na dva mjesta
Kvarcne volframove cijevi (QTL) (2000W) također su ispitivane na tri razine s maksimalnom temperaturom koja je padala kako se povećavala udaljenost grijača. Na 55 mm, otkrivena je maksimalna i minimalna temperatura od 520 ° C. Ciljna temperatura na uzorku materijala postignuta je za 206 sekundi. Povećavajući udaljenost na 80 mm, one su se smanjile na 450 ° C i 415 ° C, a na 95 mm iznad uzorka, maksimalne i minimalne temperature uzorka bile su 407 i 393 ° C.
Slika 4 prikazuje varijancu temperature koja se može pojaviti na uzorku zbog neposredne blizine grijača do uzorka, kao i vremena potrebnog za zagrijavanje materijala na 425 ° C (206 sekundi za 2kW QT grijač).
Volframove cijevi od 150 ° W nisu testirane jer se smatralo operativno važnim povećati udaljenost grijača nego smanjiti snagu korištenih elemenata.
Slika 5 prikazuje vizualnu razliku u uzorku prije i nakon zagrijavanja.
PEKK
PEKK se grijao s volframovim grijačima od 2000 W na samo 55 mm. Toplinski odziv materijala bio je izvrstan s zabilježenim temperaturama većim od 500 ° C. Minimalna propisana temperatura postignuta je za 102 sekunde, a maksimalna zabilježena temperatura je viša od 500 ° C.
Bilo je primjetno da se čini da ovaj uzorak pokazuje neko cijepanje i raslojavanje na rubovima, a također i neka površinska izobličenja nakon zagrijavanja, kao što je prikazano na slici 7, moguće od apsorpcije vlage tijekom skladištenja i brzog zagrijavanja koje se dogodilo.
PPS
PPS materijal testiran je halogenim i volframovim grijačima od 2000 W. Ispitivanje halogena provedeno je s odvajanjem od 55 mm, a ispitivanje volframa na 55 mm i 95 mm.
Podaci su ponovno pokazali da je volframova cijev bolji grijač za ovaj materijal (od halogene grijalice) s višim temperaturama zabilježenim pri odvajanju od 55 mm i također većom ujednačenošću temperature u uzorku. Zabilježena je varijacija od 38 ° C za halogene grijače i 30 ° C za grijalice od volframa. Na ovu zabilježenu varijaciju jako će utjecati mjesto termoelementa u odnosu na cijevi. Identična mjesta termoelemenata nisu zajamčena.
Ispitivanja s PPS-om prekinuta su ubrzo nakon što je materijal postigao potrebnu temperaturu od 425 ° C, jer je iz uzoraka došlo do ispuštanja dima koji mirišu na sumpor.
Na udaljenosti od 55 mm, ciljana temperatura zabilježena je nakon 66, odnosno 88 sekundi za halogene i volframove grijače na 55 mm. Kada su volframovi grijači postavljeni na 95 mm od uzorka, ciljana temperatura nije postignuta.
Crna šupljina
Početna ispitivanja provedena su s razdvajanjem elementa i materijala od 50 mm. Porast temperature materijala bio je vrlo brz za sve materijale. Od hladnog starta, šupljim elementima treba približno 10-12 minuta da se zagriju do stabilnih pogonskih razina (temperatura površine oko 700 ° C). Povećanje temperature materijala bilo je približno slično krivulji grijanja grijača, međutim, u tome je postojao vremenski zaostatak.
PEEK
Grafikon vremena potrebnog za zagrijavanje uzorka PEEK-a da postigne potrebnu temperaturu obrade prikazan je dolje na slici 9. To pokazuje da je vrijeme zagrijavanja na 425 ° C približno 185 sekundi od trenutka kada su grijači uključeni na 50 mm. Ako se udaljenost poveća na 100 mm, vrijeme se povećava na 230 sekundi. Uzorak je ostavljen između dvije ploče tijekom zagrijavanja i uklonjen za hlađenje.
PEKK
Vrijeme potrebno PEKK-u da dosegne najniži prag bilo je nešto duže nego PEEK-u. Dva su moguća razloga za to: 1.) materijal ne apsorbira infracrveno zračenje kao i PEEK i 2.) debljina materijala je dvostruko veća (1 odnosno 2 mm). Vrijeme potrebno za postizanje 425 ° C na 50 mm bilo je 181 sekundu, a na 100 mm to se povećalo na 244 sekunde
PPS
PPS se vrlo uspješno zagrijavao crnim šupljim elementima s 425 ° C koji su zabilježeni za 171 sekundu i 219 sekundi na 50, odnosno 100 mm. Krivulja grijanja za ovaj materijal prikazana je na slici 11. Ponovno se dogodilo ispuštanje dima koji miriše sumpor, međutim količina toga nije bila tolika kao kod halogenih grijača kako je gore opisano. To je djelomično moguće zbog odsutnosti ventilatora na stražnjoj strani ploče za grijanje.
Sažetak vremena potrebnog za zagrijavanje materijala s halogenim, volframnim i šupljim keramičkim elementima na ciljanu temperaturu prikazan je u nastavku u tablici 1. Kako montiranje halogenih elemenata na veće udaljenosti od 55 mm nije bilo univerzalno uspješno, ovi su rezultati izostavljeni sa stola.
|
Materijal |
Vrsta grijača (snaga)
|
Udaljenost | Vrijeme za postizanje 425 ° C |
|---|---|---|---|
| PEEK | QHL (2 kW) | 55mm | 99 |
| QTL (2 kW) | 55mm | 206 | |
| FFEH (800 W) | 50mm | 185 | |
| FFEH (800 W) | 100mm | 230 | |
| PEKK | QTL (2 kW) | 55mm | 102 |
| FFEH (800 W) | 50mm | 181 | |
| FFEH (800 W) | 100mm | 244 | |
| PPS | QHL (2 kW) | 55mm | 66 |
| QTL (2 kW) | 55mm | 88 | |
| FFEH (800 W) | 50mm | 171 | |
| FFEH (800 W) | 100mm | 219 |
Ispitivanje sendviča
Ispitivanje sendviča provedeno je kako bi se dobili podaci o prijenosu topline kroz materijal. To je učinjeno zagrijavanjem uzorka s jedne strane, mjerenjem temperature s obje strane i usporedbom rezultata. Ispitane su samo volframove cijevi i crni šuplji elementi, jer na temelju rezultata FastIR, kratkovalne halogene cijevi nisu prikladni grijači za dotične materijale.
Rezultati za QTM elemente pokazuju da ne postoji značajna temperaturna razlika između gornje i donje površine za PEEK i PPS materijale, međutim PPS se brže zagrijava i krivulje za ovaj materijal gotovo se ne mogu razlikovati. Treba napomenuti da su ova dva materijala vrlo tanka (≈ 1 mm). Očekivano, temperaturna razlika za PEKK bila je veća (75 ± 2oC) zbog svoje debljine (≈ 2 mm). Ti su rezultati prikazani na slici 12 u nastavku.
Iz operativnih razloga, ispitivanje završava kad pirometri utvrde temperaturu od 300 ° C. Vrhunac viđen u prvih 30 sekundi testa je refleksija i nije pravo očitanje temperature.
Ovi rezultati pokazuju da je moguća dobra penetracija IR materijala kroz PEEK i PPS pomoću grijača volframovog tipa. Međutim, izjednačavanje temperature za PEKK nije tako dobro, što pokazuje gotovo temperaturna razlika od 75 ° C u posljednjih 18 sekundi testa4.
Nije bilo moguće pomaknuti uzorke materijala bliže grijaču kako bi se analiziralo kakav će to učinak imati jer bi akutni kut potreban pirometru da vidi materijal izobličio očitanje.
Zagrijavanje uzoraka crnim šupljim elementima na istoj udaljenosti (75 mm) pokazuje sličan trend s većom temperaturnom razlikom (45 ± 2 ° C) koja se opaža kod debljeg materijala PEKK (u usporedbi s tanjim materijalima). Temperature gornje i donje površine PEEK-a gotovo se ne mogu razlikovati; međutim postoji razlika u temperaturi PPS (25 ± 2 ° C). Ovi su podaci prikazani na slici 13. To ukazuje na to da infracrvena penetracija PPS-a s zračenjem duljih valnih duljina nije tako dobra kao kod kraće volframove IR, međutim, izjednačavanje temperature PEKK-a je bolje (ali nije idealno).
Pri razdvajanju od 75 mm, najviše temperature i brzine zagrijavanja dobivaju se pomoću volframovog grijača koji izgleda u suprotnosti s prethodnim rezultatima valjka. Međutim, ovo se ne smije koristiti kao vodilica, jer je korišten samo jedan grijač. Štoviše, ove će se karakteristike poboljšati upotrebom niza grijača za razliku od jednog grijača.
Zaključak
- Provedena i detaljno opisana ispitivanja pokazuju da je moguće zagrijavanje triju termoplastičnih ugljičnih kompozitnih materijala na minimalno 425 ° C i s srednjevalnim halogenim i sa crnim šupljim elementima.
- Veće maksimalne temperature mogu se postići korištenjem crnog šupljeg elementa Ceramicx 800W (FFEH).
- Vrijeme potrebno za zagrijavanje PEEK-a na 425 ° C bilo je 206 sekundi za 2kW grijače od volframne cijevi na 55 mm i 230 sekundi za FFEH elemente na 100 mm
- Vrijeme potrebno za zagrijavanje PEKK-a na 425 ° C iznosilo je 102 sekunde za grijače od volframove cijevi od 2 kW na 55 mm i 244 sekunde za elemente FFEH na 100 mm
- Vrijeme potrebno za zagrijavanje PPS-a na 425 ° C iznosilo je 88 sekundi za grijače od volframove cijevi od 2 kW na 55 mm i 219 sekundi za elemente FFEH na 100 mm
- Maksimalne temperature, postignute brzine zagrijavanja materijala i ujednačenost površinske temperature snažna su funkcija udaljenosti na kojoj su grijači montirani od materijala.
- Izvrsna infracrvena penetracija, a time i izjednačavanje temperature, kroz debljinu materijala, PPS i PEEK postignuto je halogenom srednjeg vala (volfram). Izjednačavanje temperature postignuto s PEKK-om nije bilo tako dobro kao kod ostalih materijala.
- Izvrsna penetracija IR-a i izjednačavanje temperature zabilježeno je kod PEEK-a pomoću crnih šupljih elemenata. Ovo svojstvo nije bilo dobro kao za PEKK i PPS.
Na temelju gornjih podataka o ispitivanju i bliskog odvajanja materijala od elemenata potrebnih za postizanje temperatura potrebnih za formiranje predmetnih materijala, čini se da je najbolji infracrveni emiter Ceramicx 800W crni potpuno ravni šuplji element. Iako su vremena za postizanje potrebnih temperatura nešto duža od volframovih grijača, bliža blizina korištenih elemenata dovesti će do bolje ujednačenosti površinske temperature. Nadalje, keramički elementi pokrenuti su od sobne temperature i trebalo im je približno 12 minuta da dosegnu operativnu razinu. Stoga bi se ovo vrijeme moglo znatno skratiti predgrijavanjem elemenata.
Također treba napomenuti da se ovi rezultati temelje na uzorcima koji su stavljeni na raspolaganje za ispitivanje (tj. Debljine 1 mm i 2 mm). Zagrijavanje debljih dijelova može zahtijevati značajne promjene u tehnologiji grijanja koje će se istražiti kako bi se osiguralo da je temperaturni profil preko debljine materijala ujednačen i pogodan za naknadne postupke oblikovanja.
1 Polieter eter keton
2 Polifenilen sulfid
3 Polieterketoneketone
4 Prosječna razlika između gornje i donje površine snimljene tijekom zadnjih 18 sekundi testa.
Izjava o odricanju od odgovornosti
Te bi rezultate ispitivanja trebalo pažljivo razmotriti prije nego što se utvrdi da se koristi određena vrsta infracrvenog emitera.
Ponovljeni testovi koje su provele druge tvrtke možda neće postići iste nalaze. Razlike u eksperimentalnim uvjetima mogu promijeniti rezultate. Ostali izvori pogrešaka uključuju: marku emitera koji se koristi, učinkovitost emitera, isporučenu snagu, udaljenost od ispitivanog materijala do emitera koji se koristi i okoliš. Mjesta na kojima se mjeri temperatura mogu također uzrokovati razlike u rezultatima.
