| AVTOR | DATUM USTVARJENA | VERSION | ŠTEVILKA DOKUMENTA |
|---|---|---|---|
| Dr. Peter Marshall | 8 april 2016 | V1.1 | CC11 - 00101 |
Predstavitev
CCP Gransden je pristopil k podjetju Ceramicx, da je zgradil infrardečo pečico za ogrevanje termoplastičnih materialov za preprečevanje ogljikovih vlaken za njihovo oblikovanje. To testiranje je bilo izvedeno kot del funkcij, opredeljenih v prodajnem predlogu (CSP 000 008). Prva faza vključuje oceno in izbiro infrardečega grelnika za ta projekt, pri čemer je določena najnižja temperatura materiala 425 ° C.
Opis materiala
Prejeti so bili trije vzorci dveh materialov v kosih 230 x 230 x 1mm. V teh primerih je bila matrica PEEK1 in PPS2. Manjši vzorec PEKK3 z dimenzijami 200 x 150 x 2mm je bil prav tako sprejet. Material je bil trden, gladek s sijajnim črnim zaključkom. Na površini vzorcev PEEK in PPS je bil opazen majhen vzorec.
Vzorci PEEK in PPS so bili razrezani na kose 115 x 115 mm. Material PEKK smo razrezali na kose 100 x 75mm.
Metoda
Ocenjeni sta bili dve ločeni grelni družini; halogen (QH in QT) in črna votla keramika (FFEH). V vsakem primeru so bile plošče nameščene nad in pod vzorcem materiala z nastavljivo višino.
FastIR
Izdelan je bil sistem za pritrditev, ki je omogočil namestitev dveh enot Ceramicx FastIR 500 nad materialom in pod njim. FastIR 500 sestavlja sedem grelnih elementov, nameščenih vzporedno v ohišju 500 x 500 mm. Razmik med temi cevmi je 81mm. Uporabljena sta bila „dolga“ (skupna dolžina: 1500mm) elementa 2000W in 473W, ki dajeta skupni izhod iz obeh enot 21 oziroma 28kW. Grelne enote so nameščene tako, da je bila razdalja med površino elementa in vzorcem različna med 55mm in 95mm.
Uporabljeni eksperimentalni protokol je bil naslednji:
- Ventilatorji so se vklopili
- Vključeni so trije centralni grelni elementi, zgoraj in spodaj
- Zunaj so vključeni štirje grelni elementi, zgoraj in spodaj
Slika vzorca med dvema enotama FastIR je prikazana na sliki 1. Nič ni bilo uporabljeno za zapiranje vrzeli med obema ogrevalnima enotama
Elementi
V enoti FastIR lahko namestite dve vrsti elementov; kremenov halogen in kremen volfram. Ti elementi oddajajo različne vršne infrardeče valovne dolžine; halogen pri približno 1.0 - 1.2μm in volfram med 1.6 - 1.9μm. Vsaka cev ima premer 10mm, skupno dolžino 473mm in ogrevano dolžino 415mm.
Črna votla
Oprema za ogrevanje po meri je bila zasnovana tako, da je vključevala matrico 2 x 7 iz Ceramicxovih elementov 800W FFEH, ki daje vsaki plošči 11.2kW moči. Ta matrica je bila pritrjena v ohišje 510 x 510mm in nameščena v isti okvir kot zgoraj opisan sistem FastIR. Uporabljen je bil eksperimentalni protokol; vendar navijači niso bili zaposleni na teh ploščah. Razdalja med temi elementi je bila 65mm.
Uporabljeni sta bili dve razdalji vzorčnega elementa, 50 in 100mm. Tudi vrzel med obema ogrevalnima enotama je ostala odprta
Elementi
Črni votli elementi Ceramicx oddajajo vršne valovne dolžine v srednje- do dolgem režimu (2 - 10μm). Vsak element ima dimenzije 245 x 60mm (lxw). Daljše valovne dolžine, povezane s keramičnimi elementi, so zelo učinkovite za segrevanje številnih polimernih materialov.
Instrumentacija
Termoparovi tipa K so bili pritrjeni na površino vzorca z vijaki M3. Keramični cement je bil preizkušen, vendar to ni lepilo na površino materiala. Glede na potrebne visoke temperature nobeno razpoložljivo lepilo ne bi ostalo stabilno, zato je bila mehanska fiksacija potrebna. Termoelementi so bili nameščeni v središču vsakega vzorca in tudi 10mm (rob) in 30mm (četrtina) od roba, kot je prikazano na sliki 2. Termoelementi so nameščeni neposredno nad elementi cevi in na sredini med elementi, tako da se zabeleži največja temperaturna razlika. Podatki o temperaturi so se beležili v intervalih ene sekunde.
Testiranje sendviča
Tester za sendviče je napredna naprava za testiranje toplotnega odziva materiala, kot je prikazano na sliki 2. Različne vrste infrardečih grelnikov je mogoče namestiti v dveh položajih, navpično navzgor in navzdol. To zagotavlja, da se lahko preizkušeni material segreva od zgoraj in / ali od spodaj. Za določitev zgornje in spodnje temperature površine preskušanega materiala se uporabljajo štirje brezkontaktni optični pirometri. Emitorji se lahko segrejejo na delovno temperaturo, material pa se nato vnaprej sestavi pod sevalnike. Ta preskus je bil izveden z volnenim volframovim (QTM) 1W in 800W črnimi votlimi elementi (FFEH), nameščenima 75mm nad vzorcem, da bi ugotovili, kateri grelnik je najbolje prodrl skozi material.
Rezultati
FastIR
Ta odsek poroča o rezultatih, ugotovljenih za volframove in halogene cevi za tri zadevne materiale. Preskusi so bili izvedeni s tremi različnimi višinami grelcev (55 mm, 80 mm in 95 mm).
PEEK
Začetna preskušanja so bila izvedena na vzorcu PEEK in dveh FastIR grelnikov s kremenovimi halogenimi cevmi 1500W, ločenih s 110mm. Rezultati tega testa, prikazani na sliki 4, kažejo, da vzorec ni dosegel želene temperature.
Elementi so bili spremenjeni v 2000W kratkodlavne halogenske cevi (QHL), ki so pokazale, da je vzorec pri isti ločitvi na enem mestu dosegel in presegel zahtevano temperaturo. V tem primeru je bila najvišja zabeležena temperatura 485 ° C, vendar so bile zaznane tudi pomembne temperaturne razlike (do 83 ° C). Čas, potreben za dosego ciljne temperature 425 ° C, je 99 sekund. To so dosegli samo na dveh lokacijah
Na treh nivojih so bile pregledane tudi kremenčeve cevke iz volframovega osipa (2000W), pri čemer je največja temperatura padla, ko se je razdalja grelca povečala. Pri 55mm je bila zaznana najvišja in najnižja temperatura 520 ° C. Ciljna temperatura v vzorcu materiala je bila dosežena v 206 sekundah. S povečanjem razdalje na 80mm, ki so se zmanjšale na 450 ° C in 415 ° C, pri 95mm nad vzorcem pa sta bili najvišji in najnižji temperaturi vzorca 407 in 393 ° C.
Slika 4 prikazuje odstopanje temperature, ki se lahko pojavi v celotnem vzorcu zaradi bližine grelcev do vzorca, kot tudi časa, potrebnega za segrevanje materiala na 425 ° C (206 sekund za grelec 2kW QT).
Volframove cevi 150 ° W niso bile preizkušene, saj se je zdelo bolj operativno pomembno povečati razdaljo grelca kot zmanjšati moč uporabljenih elementov.
Slika 5 prikazuje vizualno razliko v vzorcu pred in po segrevanju.
PEKK
PEKK je bil ogrevan samo z volframovim grelnikom 2000W samo pri 55mm. Toplotni odziv materiala je bil odličen, če so bile zabeležene temperature, ki presegajo 500 ° C. Najnižja določena temperatura je bila dosežena v 102 sekundah, pri čemer je bila najvišja zabeležena temperatura višja od 500 ° C.
Opazno je bilo videti, da ta vzorec kaže nekaj cepitve in razkroja na robovih in tudi nekaj površinskih popačenj po segrevanju, kot je prikazano na sliki 7, morda zaradi absorpcije vlage med shranjevanjem in hitrega segrevanja, ki se je zgodilo.
PPS
Material PPS je bil preizkušen s halogenskimi in volframovimi grelci 2000W. Halogen test je bil izveden z ločevanjem 55mm in volframovim testom na 55mm in 95mm.
Podatki so spet pokazali, da je volframova cev boljši grelec za ta material (kot halogen grelec), višje temperature pa so bile zabeležene pri ločevanju 55mm in tudi večja enakomernost temperature na vzorcu. Za halogenske grelnike je bilo zabeleženo nihanje 38 ° C in 30 ° C za volframove grelnike. Na to zabeleženo spremembo bo močno vplival položaj termoelementa glede na cevi. Enake lokacije termoparov niso zagotovljene.
Preskusi s PPS so bili končani kmalu po tem, ko je material dosegel zahtevano temperaturo 425 ° C, saj je iz vzorcev prišlo do sproščanja hlapov po žveplu.
Na razdalji 55mm je bila za grelnike halogen in volfram pri 66mm zabeležena ciljna temperatura po 88 in 55 sekundah. Ko so bili volframovi grelci nameščeni na vzorcu 95mm, ciljna temperatura ni bila dosežena.
Črna votla
Začetni testi so bili izvedeni z ločevanjem element-material 50mm. Povišanje temperature materiala je bilo za vse materiale zelo hitro. Od hladnega zagona se votli elementi vzamejo približno 10-12 minut, da se segrejejo do enakomernih delovnih nivojev (temperatura površine približno 700 ° C). Povišanje temperature materiala je bilo na splošno podobno krivulji ogrevanja grelnika, vendar je pri tem prišlo do časovnega zamika.
PEEK
Na sliki 9 je prikazan prikaz časa, potrebnega za segrevanje vzorca PEEK, da se doseže zahtevana temperatura obdelave. To kaže, da je čas ogrevanja na 425 ° C približno 185 sekund od trenutka, ko so grelci vklopljeni na 50mm. Če se razdalja poveča na 100mm, se čas poveča na 230 sekunde. Vzorec smo med segrevanjem pustili med obema ploščama in ga odstranili za hlajenje.
PEKK
Čas, potreben za dosego najnižjega praga PEKK, je bil nekoliko daljši kot za PEEK. Za to obstajata dva možna razloga: 1.) Material ne absorbira infrardečega sevanja, pa tudi PEEK in 2.) Debelina materiala je dvakrat večja (1 in 2mm). Čas, potreben za dosego 425 ° C na 50mm, je bil 181 sekund, pri 100mm pa se je ta povečal na 244 sekund
PPS
PPS se je zelo uspešno segreval s črnimi votlimi elementi, pri katerih je bil 425 ° C posnet v 171 sekundah in 219 sekund pri 50 in 100mm. Krivulja ogrevanja tega materiala je prikazana na sliki 11. Ponovno je prišlo do sprostitve dima po žveplu, vendar količina tega ni bila toliko velika kot pri halogenskih grelnikih, kot je opisano zgoraj. Delno je to lahko posledica odsotnosti ventilatorjev na zadnji strani grelne plošče.
Povzetek časov, potrebnih za segrevanje materialov s halogenom, volframom in votlimi keramičnimi elementi do ciljne temperature, je prikazan spodaj v tabeli 1. Ker namestitev halogenskih elementov na daljše razdalje kot 55mm ni bila splošno uspešna, so bili ti rezultati iz tabele izpuščeni.
|
Material |
Tip grelnika (moč)
|
Razdalja | Čas za dosego 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 |
Testiranje sendviča
Za pridobitev informacij o prenosu toplote skozi material smo opravili testiranje sendviča. To smo storili s segrevanjem vzorca z ene strani, merjenjem temperature na obeh straneh in primerjavo rezultatov. Pregledani so bili samo volframova cev in črni votli elementi, saj na podlagi rezultatov FastIR halogenske cevi s kratkimi valovi niso ustrezni grelniki za zadevne materiale.
Rezultati za elemente QTM kažejo, da med materiali PEEK in PPS ni bistvene temperaturne razlike med zgornjo in spodnjo površino, vendar se PPS hitreje segreva in krivulje tega materiala praktično niso razločljive. Upoštevati je treba, da sta ta dva materiala zelo tanka (≈ 1mm). Kot je bilo pričakovano, je bila temperaturna razlika za PEKK večja (75 ± 2oC) zaradi njegove debeline (≈ 2mm). Ti rezultati so prikazani na spodnji sliki 12.
Iz operativnih razlogov se preskus konča, ko pirometri zaznajo temperaturo 300 ° C. Najvišja vrednost, ki jo opazimo v prvih 30 sekundah testa, je odbojnost in ni resnično odčitavanje temperature.
Ti rezultati dokazujejo, da je za PEEK in PPS možno dobro IR-prodiranje materiala z uporabo grelca volframovega tipa. Vendar izenačitev temperature za PEKK ni tako dobra, kar dokazuje skoraj temperaturna razlika v temperaturi 75 ° C v zadnjih 18 sekundah test4.
Ni bilo mogoče premakniti vzorcev materiala bližje grelniku, da bi analizirali, kakšen učinek bi to imel, saj bi akutni kot, ki bi ga potreboval pirometer, videl, da bi material izkrivljal odčitke.
Segrevanje vzorcev s črnimi votlimi elementi na isti razdalji (75mm) kaže podoben trend, če opazimo večjo temperaturno razliko (45 ± 2 ° C) pri debelejših materialih PEKK (v primerjavi s tanjšimi materiali). Temperature zgornje in spodnje površine PEEK praktično ne razlikujejo; vendar obstaja razlika v temperaturi PPS (25 ± 2 ° C). Ti podatki so prikazani na sliki 13. To kaže, da IR-penetracija PPS z daljšo valovno dolžino ni tako dobra kot pri krajšem IR-volframu, vendar je izenačitev temperature PEKK boljša (ni pa idealna).
Pri ločevanju 75mm se najvišje temperature in stopnje ogrevanja dosežejo z volframovim grelcem, ki je v nasprotju s prejšnjimi rezultati plošče. Vendar tega ne smemo uporabljati kot vodilo, saj je bil uporabljen samo en grelec. Poleg tega se bodo te lastnosti izboljšale z uporabo grelcev v nasprotju z enim grelcem.
zaključek
- Zgoraj opravljeni in podrobni preskusi kažejo, da je možno segrevanje treh termoplastičnih ogljikovih kompozitnih materialov na najmanj 425 ° C z halogenom srednje valovitih in črnimi votlimi elementi.
- Višje najvišje temperature lahko dosežemo s črnim votlim elementom Ceramicx 800W (FFEH).
- Čas, potreben za segrevanje PEEK na 425 ° C, je bil 206 sekund za grelnike volframovih cevi 2kW pri 55mm in 230 sekunde za FFEH elemente na 100mm
- Čas, potreben za segrevanje PEKK na 425 ° C, je bil 102 sekund za grelnike cevi iz volframove cevi 2kW pri 55mm in 244 sekunde za elemente FFEH na 100mm
- Čas, potreben za segrevanje PPS na 425 ° C, je bil 88 sekund za grelnike volframovih cevi 2kW pri 55mm in 219 sekunde za FFEH elemente na 100mm
- Najvišje temperature, dosegljive stopnje ogrevanja materiala in enakomernost temperatur na površini so močna funkcija razdalje, na kateri so grelci nameščeni od materiala.
- S srednjo valovitim halogenom (volfram) smo dosegli odlično penetracijo IR in s tem izenačitev temperature PPS in PEEK skozi debelino materiala. Izravnava temperature, dosežena s PEKK, ni bila tako dobra kot pri drugih materialih.
- Pri PEEK smo opazili odlično penetracijo in izenačitev temperature z uporabo črnih votlih elementov. Ta lastnost ni bila tako dobra kot za PEKK in PPS.
Glede na zgornje preskusne podatke in tesne ločitve element-material, ki so potrebne za doseganje temperatur, potrebnih za oblikovanje zadevnih materialov, se zdi, da je najboljši infrardeči oddajnik Ceramicx 800W črn popolnoma raven votel element. Medtem ko so časi za doseganje potrebnih temperatur nekoliko daljši od volframovih grelnikov, bo bližina uporabljenih elementov privedla do boljše enakomernosti površinske temperature. Poleg tega so se keramični elementi začeli izvajati pri sobni temperaturi in za doseganje obratovalnih ravni so potrebovali približno 12 min. Zato bi lahko ta čas s predgretjem elementov bistveno skrajšali.
Upoštevati je treba tudi, da ti rezultati temeljijo na vzorcih, ki so bili na voljo za testiranje (tj. Debeline 1mm in 2mm). Segrevanje debelejših delov lahko zahteva bistvene spremembe v tehnologiji ogrevanja, da bi zagotovili, da je temperaturni profil po debelini materiala enakomeren in primeren za nadaljnje postopke oblikovanja.
1 Keton iz polieter etra
2 Polifenilen sulfid
3 Polieterketoneketon
4 Povprečna razlika med zgornjo in spodnjo površino, odvzetimi v zadnjih 18 sekundah preskusa.
Zavrnitev odgovornosti
Te rezultate preskusov je treba natančno upoštevati, preden se določi vrsta infrardečega sevalnika.
Ponavljajoči se testi, ki jih izvajajo druga podjetja, ne morejo doseči enakih ugotovitev. Razlike v poskusnih pogojih lahko spremenijo rezultate. Drugi viri napak vključujejo: blagovno znamko uporabljenih sevalnikov, izkoristek oddajalca, dobavljeno moč, razdaljo od preizkušenega materiala do uporabljenega sevalnika in okolje. Lokacije, na katerih se meri temperatura, lahko povzročijo tudi razlike v rezultatih.
