| FORFATTER | DATE LAGET | VERSJON | DOKUMENTNUMMER |
|---|---|---|---|
| Dr. Peter Marshall | 8 april 2016 | V1.1 | CC11 - 00101 |
Introduksjon
CCP Gransden henvendte seg til Ceramicx for å bygge en infrarød ovn for å varme opp termoplastiske karbonfiber prepreg-materialer for deres formingsoperasjoner. Dette testarbeidet ble utført som en del av funksjoner definert i salgsforslaget (CSP 000 008). Fase én innebærer vurdering og valg av infrarød varmeelement for dette prosjektet, med den fastsatte minimumstemperaturstemperaturen er 425 ° C.
Materiell beskrivelse
Tre prøver av to materialer ble mottatt i 230 x 230 x 1mm stykker. I disse tilfellene var matrisen PEEK1 og PPS2. En mindre prøve av PEKK3 med dimensjoner på 200 x 150 x 2mm ble også mottatt. Materialet var stivt, glatt med en blank svart finish. Et lite mønster var synlig på overflaten på overflaten av PEEK- og PPS-prøvene.
PEEK- og PPS-prøvene ble kuttet i 115 x 115 mm stykker. PEKK-materialet ble kuttet i 100 x 75mm stykker.
Metode
To distinkte varmerfamilier ble evaluert; halogen (QH og QT) og svart hul keramikk (FFEH). I begge tilfeller ble platene montert over og under materialprøven med justerbar høyde.
FastIR
Et monteringssystem ble produsert for å tillate to av Ceramicxs FastIR 500-enheter over og under materialet. En FastIR 500 består av syv varmeelementer montert parallelt i et 500 x 500 mm etui. Avstanden mellom disse rørene er 81mm. 1500W og 2000W 'lange' (totale lengde: 473mm) elementer ble brukt for å gi en total utgang fra de to enhetene til henholdsvis 21 eller 28kW. Varmeaggregatene ble montert slik at avstanden mellom elementoverflaten og prøven ble variert mellom 55mm og 95mm.
Den eksperimentelle protokollen som ble brukt var som følger:
- Fans slått på
- Tre sentrale varmeelementer er slått på, øverst og nederst
- Utenfor fire varmeelementer er slått på, øverst og nederst
Et bilde av en prøve mellom de to FastIR-enhetene er vist i figur 1. Ingenting ble brukt for å omslutte gapet mellom de to varmeenhetene
Elements
To typer elementer kan monteres i FastIR-enheten; kvartshalogen og kvarts wolfram. Disse elementene avgir forskjellige maksimale infrarøde bølgelengder; halogen ved omtrent 1.0 - 1.2μm og wolfram mellom 1.6 - 1.9μm. Hvert rør har en diameter på 10mm, en total lengde på 473mm og en oppvarmet lengde på 415mm.
Svart hul
En tilpasset varmeplate ble designet for å inkorporere en 2 x 7-matrise av Ceramicxs 800W FFEH-elementer, noe som gir hver plate 11.2kW kraft. Denne matrisen var innelukket i et 510 x 510mm-etui og montert i samme ramme som FastIR-systemet beskrevet ovenfor. Den eksperimentelle protokollen ble brukt; fans ble imidlertid ikke ansatt i disse platene. Avstanden mellom disse elementene var 65mm.
To forskjellige elementprøveavstander ble brukt, 50 og 100mm. Igjen ble gapet mellom de to varmeenhetene åpne
Elements
Ceramicx svarte hule elementer avgir toppbølgelengder i det mellomstore til lange regimet (2 - 10μm). Hvert element har dimensjoner på 245 x 60mm (lxw). De lengre bølgelengder assosiert med keramiske elementer er veldig effektive for oppvarming av mange polymere materialer.
Instrumentering
Termoelementer av type K ble festet til overflaten av prøven ved bruk av M3 skruer. Keramisk sement ble forsøkt forsøkt, men dette festet seg ikke til overflaten av materialet. Gitt de høye temperaturer som kreves, ville intet tilgjengelig klebemiddel forbli stabilt, så mekanisk fiksering ble ansett som nødvendig. Termoelementene var lokalisert i midten av hvert prøve og også 10mm (kant) og 30mm (kvartal) fra kanten som vist i figur 2. Dette lokaliserte termoelementene direkte over rørelementene og i midten mellom elementene, slik at den maksimale temperaturforskjellen ble registrert. Temperaturdataene ble registrert med intervaller på ett sekund.
Sandwich testing
Sandwich-testeren er en avansert prøvemaskin for termisk respons som vist i figur 2. Ulike typer infrarøde varmeovner kan monteres i to stillinger, vendt loddrett opp og ned. Dette sikrer at det testede materialet kan varmes opp fra toppen og / eller bunnen. Fire ikke-kontakt optiske pyrometre brukes til å bestemme overflaten og den øverste overflatetemperaturen til det testede materialet. Senderne får varme seg opp til sin driftstemperatur, og materialet bringes deretter under emitteren (e) i en forutbestemt periode. Denne testen ble utført med både 1kW wolfram (QTM) og 800W svarte hule elementer (FFEH) montert 75mm over prøven for å bestemme hvilken varmeelement som ga best penetrering gjennom materialet.
Resultater
FastIR
Denne delen rapporterer om resultatene som ble funnet for wolfram- og halogenrør for de tre aktuelle materialene. Testene ble utført med tre forskjellige varmehøyder (55mm, 80mm & 95mm).
PEEK
Innledende forsøk ble utført med en PEEK-prøve og de to FastIR-varmeovner med 1500W kvarts halogenrør separert med 110mm. Resultatene fra denne testen, vist i figur 4, indikerer at prøven ikke klarte å oppnå den nødvendige temperaturen.
Elementene ble endret til 2000W kortbølget halogenrør (QHL) som viste at prøven ved samme separasjon nådde og overskred den nødvendige temperaturen på ett sted. I dette tilfellet var den maksimale registrerte temperaturen 485 ° C, men signifikante temperaturforskjeller (opp til 83 ° C) ble imidlertid også påvist. Tiden som var nødvendig for å nå måltemperaturen på 425 ° C var 99 sekunder. Dette ble oppnådd bare på to steder
Kvarts wolfram (QTL) rør (2000W) ble også undersøkt ved de tre nivåene med maksimal temperatur som falt av etter hvert som varmerens avstand økte. Ved 55mm ble en maksimal og minimumstemperatur på 520 ° C oppdaget. Måltemperaturen over materialprøven ble oppnådd i løpet av 206 sekunder. Ved å øke avstanden til 80mm reduserte disse til 450 ° C og 415 ° C og ved 95mm over prøven, var maksimums- og minimumstemperaturene for prøven 407 og 393 ° C.
Figur 4 viser variansen i temperatur som kan oppstå over hele prøven på grunn av nærhet av varmeovnene til prøven, så vel som tiden som kreves for å varme opp materialet til 425 ° C (206 sekunder for 2kW QT varmeovn).
150 ° W wolframrør ble ikke testet, da det ble ansett som mer driftsmessig viktig å øke varmeavstanden enn å redusere effekten til elementene som ble brukt.
Figur 5 viser den visuelle forskjellen i prøven før og etter oppvarming.
PEKK
PEKK ble bare oppvarmet med 2000W wolframvarmere på 55mm. Materialets termiske respons var utmerket med temperaturer over 500 ° C som ble registrert. Minste angitte temperatur ble oppnådd i 102 sekunder, mens den maksimale registrerte temperaturen var over 500 ° C.
Det ble lagt merke til at denne prøven så ut til å vise en deling og delaminering i kantene og også noen overflateforvrengninger etter oppvarming som vist i figur 7, muligens fra fuktopptak under lagring og hurtig oppvarming som skjedde.
PPS
PPS-materialet ble testet med 2000W halogen- og wolframvarmere. Halogen-testen ble utført med en separasjon av 55mm og wolfram-testene ved 55mm og 95mm.
Dataene viste igjen at wolframrøret var en bedre varmeapparat for dette materialet (enn halogenvarmeren), med høyere temperaturer som ble registrert ved 55mm-separasjonen og også større enhetlighet i temperaturen over prøven. En variasjon av 38 ° C ble registrert for halogenvarmere og 30 ° C for wolframvarmere. Denne registrerte variasjonen vil bli sterkt påvirket av plasseringen av termoelementet i forhold til rørene. Identiske plasseringer av termoelement er ikke garantert.
Tester med PPS ble avsluttet like etter at materialet nådde den nødvendige temperaturen på 425 ° C da det var frigjøring av svovel luktende gasser fra prøvene.
I en avstand på 55mm ble måltemperaturen registrert etter 66 og 88 sekunder for henholdsvis halogen og wolframvarmere ved 55mm. Da wolframvarmere ble montert på 95mm fra prøven, oppnådde ikke måltemperaturen.
Svart hul
Innledende tester ble utført med en element-material separasjon av 50mm. Temperaturøkningen på materialet var veldig rask for alle materialer. Fra en kald start tar hule elementer omtrent 10-12 minutter å varme opp til jevn driftsnivå (overflatetemperatur på ca. 700 ° C). Materialøkningstemperaturen var stort sett lik varmekurven til varmeren, men det var en tidsforsinkelse i dette.
PEEK
Et diagram over tiden det tok å varme prøven av PEEK for å nå den nødvendige prosesseringstemperatur er vist nedenfor i figur 9. Dette viser at oppvarmingstiden til 425 ° C er omtrent 185 sekunder fra når ovnene slås på ved 50mm. Hvis avstanden økes til 100mm, økes tiden til 230 sekunder. Prøven ble igjen mellom de to platene under oppvarming og fjernet for avkjøling.
PEKK
Tiden det tok for PEKK å nå minimumsterskelen var litt lengre enn for PEEK. To mulige årsaker eksisterer for dette: 1.) Materialet tar ikke opp den infrarøde strålingen så vel som PEEK og 2.) Tykkelsen på materialet er dobbelt så stort (henholdsvis 1 og 2mm). Tiden som var nødvendig for å nå 425 ° C ved 50mm var 181 sekunder, og ved 100mm økte dette til 244 sekunder
PPS
PPS ble oppvarmet meget vellykket med de svarte hule elementene med 425 ° C som ble registrert i henholdsvis 171 sekunder og 219 sekunder ved henholdsvis 50 og 100mm. Varmekurven for dette materialet er vist i figur 11. Igjen skjedde det en frigjøring av svovel luktende røyk, men mengden av dette var ikke så mye som med halogenvarmere som beskrevet ovenfor. Dette kan delvis skyldes fraværet av vifter på baksiden av varmeplaten.
Et sammendrag av tidene som kreves for å varme opp materialene, med halogen, wolfram og hule keramiske elementer, til måltemperaturen er vist nedenfor i tabell 1. Ettersom montering av halogenelementene på lengre avstander enn 55mm ikke var universelt vellykket, ble disse resultatene utelatt fra tabellen.
|
Materiale |
Varmeapparat type (strøm)
|
Avstand | På tide å nå 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 |
Sandwich testing
Sandwich-testing ble utført for å få informasjon om overføring av varme gjennom materialet. Dette ble gjort ved å varme opp prøven fra en enkelt side, måle temperaturen på begge sider og sammenligne resultatene. Kun wolframrør og svarte hule elementer ble undersøkt. Basert på FastIR-resultatene er ikke halve rør med korte bølger egnede ovner for de aktuelle materialene.
Resultatene for QTM-elementer viser at det ikke er noen signifikant temperaturforskjell mellom topp- og bunnoverflaten for PEEK- og PPS-materialer, men PPS varmer raskere og kurvene for dette materialet er praktisk talt ikke skille ut. Det må bemerkes at disse to materialene er veldig tynne (≈ 1mm). Som forventet var temperaturforskjellen for PEKK større (75 ± 2oC) på grunn av dens tykkelse (≈ 2mm). Disse resultatene er vist i figur 12 nedenfor.
Av driftsmessige årsaker avsluttes testen når en temperatur på 300 ° C blir oppdaget av pyrometrene. Toppen som ble sett i løpet av de første 30 sekundene av testen er reflektans og er ikke en sann temperaturavlesning.
Disse resultatene demonstrerer at god IR-penetrering av materialet er mulig for PEEK og PPS ved bruk av volframvarmer. Imidlertid er temperaturutjevningen for PEKK ikke like god, demonstrert av den nesten 75 ° C temperaturforskjellen i de siste 18 sekunder av testen4.
Det var ikke mulig å flytte materialprøvene nærmere varmeapparatet for å analysere hvilken effekt dette ville ha da den akutte vinkelen som kreves for at pyrometeret skulle se materialet, ville forvrenge avlesningen.
Oppvarming av prøvene med svarte hule elementer i samme avstand (75mm) viser en lignende trend med større temperaturforskjell (45 ± 2 ° C) for det tykkere PEKK-materialet (sammenlignet med de tynnere materialene). Temperaturene på topp- og bunnflatene på PEEK er praktisk talt ikke skille ut. det er imidlertid en forskjell i temperaturen til PPS (25 ± 2 ° C). Disse dataene er vist i figur 13. Dette indikerer at IR-penetrering av PPS med lengre bølgelengdestråling ikke er så bra som med kortere wolfram IR, men temperaturutjevningen av PEKK er bedre (men ikke ideell).
Ved 75mm-separasjon oppnås de høyeste temperaturer og oppvarmingshastigheter ved bruk av wolframvarmeren som ser ut til å være i strid med de tidligere platen-resultatene. Dette bør imidlertid ikke brukes som guide, da bare en enkelt varmer ble brukt. Dessuten vil disse egenskapene forbedres ved å bruke en rekke varmeovner i motsetning til en enkelt varmeovn.
konklusjonen
- Testene som er utført og detaljert ovenfor indikerer at oppvarming av de tre termoplastiske karbonkomposittmaterialene til minimum 425 ° C er mulig med både mellomvågshalogen og sorte hule elementer.
- Høyere maksimale temperaturer er oppnåelige ved å bruke Ceramicx 800W svart hulelement (FFEH).
- Tiden som var nødvendig for å varme PEEK til 425 ° C var 206 sekunder for 2kW volframrørvarmere ved 55mm og 230 sekunder for FFEH-elementer ved 100mm
- Tiden som var nødvendig for å varme opp PEKK til 425 ° C var 102 sekunder for 2kW volframrørvarmere ved 55mm og 244 sekunder for FFEH-elementer ved 100mm
- Tiden som var nødvendig for å varme opp PPS til 425 ° C var 88 sekunder for 2kW volframrørvarmere ved 55mm og 219 sekunder for FFEH-elementer ved 100mm
- De maksimale temperaturer, oppnåelige materialoppvarmingshastigheter og jevnhet på overflatetemperaturen er en sterk funksjon av avstanden som varmeovnene er montert på fra materiale.
- Utmerket IR-penetrering og derfor ble temperaturutjevning gjennom materialtykkelsen til PPS og PEEK oppnådd med mellomvågshalogen (wolfram). Temperaturutjevningen oppnådd med PEKK var ikke så god som med de andre materialene.
- Utmerket IR-penetrering og temperaturutjevning ble sett med PEEK ved bruk av svarte hule elementer. Denne egenskapen var ikke så bra som for PEKK og PPS.
Basert på testdataene ovenfor og de nære element-material separasjoner som er nødvendige for å oppnå temperaturene som kreves for å danne de aktuelle materialene, ser det ut som den beste infrarøde emitteren er Ceramicx 800W svart, fullt, flatt hulelement. Selv om tidspunktene for å oppnå de nødvendige temperaturene er litt lengre enn wolframvarmere, vil nærhet til elementene som brukes føre til bedre enhetlighet på overflatetemperaturen. Videre ble de keramiske elementene startet fra romtemperatur og krevde omtrent 12 minutter for å nå driftsnivå. Derfor kan denne tiden forkortes betydelig ved å forvarme elementene.
Det skal også bemerkes at disse resultatene er basert på prøvene som ble gjort tilgjengelig for testing (dvs. 1mm og 2mm i tykkelse). Oppvarming av tykkere deler kan kreve betydelige endringer i oppvarmingsteknologi som skal undersøkes for å sikre at temperaturprofilen, over materialets tykkelse, er jevn og egnet for etterfølgende formingsoperasjoner.
1 Polyetereterketon
2 Polyfenylensulfid
3 Polyetherketonketon
4 Gjennomsnittlig forskjell mellom topp- og bunnflater tatt over de siste 18 sekunder av testen.
Ansvarsfraskrivelse
Disse testresultatene bør vurderes nøye før en bestemt type infrarød emitter er bestemt til å bruke.
Gjenta tester utført av andre selskaper kan ikke oppnå de samme funnene. Forskjeller i de eksperimentelle forholdene kan endre resultatene. Andre feilkilder inkluderer: merkevaren til den anvendte emitteren, effektiviteten til emitteren, strømmen som leveres, avstanden fra det testede materialet til emitteren som brukes og miljøet. Stedene som temperaturen måles på, kan også forårsake variasjon i resultatene.
