| АВТОР | ДАТА СТВОРЕНА | Версія | НОМЕР ДОКУМЕНТА |
|---|---|---|---|
| Доктор Пітер Маршалл | 8 квітня 2016 | V1.1 | CC11 - 00101 |
Вступ
CCP Gransden звернувся до компанії Ceramicx, щоб створити інфрачервону піч для нагрівання термопластичних препрег-матеріалів із вуглецевого волокна для їх формування. Ця тестова робота була проведена як частина функцій, визначених у пропозиції щодо продажу (CSP 000 008). Перший етап включає оцінку та вибір інфрачервоного нагрівача для цього проекту, при цьому зазначена мінімальна температура матеріалу становить 425 ° C.
Опис матеріалу
Було отримано три зразки з двох матеріалів у штуках 230 x 230 x 1mm. У цих випадках матриця була PEEK1 та PPS2. Менший зразок PEKK3 з розмірами 200 x 150 x 2mm також було отримано. Матеріал був жорстким, гладким з глянсовим чорним покриттям. На поверхні зразків PEEK та PPS був помітний невеликий малюнок.
Зразки PEEK і PPS розрізали на шматки 115 x 115 мм. Матеріал PEKK розрізали на шматки 100 x 75mm.
Метод
Оцінено дві окремі родини утеплювачів; галоген (QH і QT) і чорна порожниста кераміка (FFEH). У кожному конкретному випадку валики встановлювали вище та нижче зразка матеріалу з регульованою висотою.
FastIR
Система кріплення була виготовлена для того, щоб два монтажні пристрої FastIR 500 Ceramicx могли бути встановлені над і під матеріалом. FastIR 500 складається з семи нагрівальних елементів, встановлених паралельно в корпусі 500 x 500 мм. Відстань між цими трубками - 81mm. Елементи 1500W та 2000W 'long' (загальна довжина: 473mm) використовувались, даючи загальний вихід з двох одиниць 21 або 28kW відповідно. Обігрівачі встановлювали таким чином, щоб відстань між поверхнею елемента та зразком змінювалося між 55mm та 95mm.
Використовуваний експериментальний протокол був таким:
- Вмикаються вентилятори
- Увімкнено три центральних нагрівальних елемента, зверху та знизу
- Зовні ввімкнено чотири нагрівальні елементи, зверху та знизу
Зображення вибірки між двома блоками FastIR показано на малюнку 1. Нічого не було використано для закриття зазору між двома опалювальними установками
Елементи
У блоці FastIR можна встановити два типи елементів; кварцовий галоген і кварцовий вольфрам. Ці елементи випромінюють різні пікові інфрачервоні довжини хвиль; галоген при приблизно 1.0 - 1.2μm і вольфрам між 1.6 - 1.9μm. Кожна трубка має діаметр 10mm, загальну довжину 473mm і нагріту довжину 415mm.
Чорна порожниста
Спеціальний нагрівальний валик був розроблений таким чином, щоб він включав матрицю 2 x 7 елементів 800W FFEH від Ceramicx, що дає кожному валику потужність 11.2kW. Ця матриця була укладена у корпус 510 x 510mm і встановлена в тому ж кадрі, що описана вище система FastIR. Був використаний експериментальний протокол; однак вентилятори не були зайняті в цих планах. Відстань між цими елементами становило 65mm.
Були використані дві різні відстані для вибірки елементів, 50 та 100mm. Знову зазор між двома опалювальними агрегатами залишили відкритим
Елементи
Чорні порожнисті елементи Ceramicx випромінюють пікові довжини хвилі в середньому та тривалому режимах (2 - 10μm). Кожен елемент має розміри 245 x 60mm (lxw). Більш довгі хвилі, пов'язані з керамічними елементами, дуже ефективні для нагрівання багатьох полімерних матеріалів.
Вимірювальні прилади
Термопари типу K були прикріплені до поверхні зразка за допомогою гвинтів M3. Керамічний цемент був випробуваний, однак це не прилягало до поверхні матеріалу. Зважаючи на необхідні високі температури, жоден доступний клей не залишатиметься стійким, тому механічне закріплення було визнано необхідним. Термопари розташовувалися в центрі кожного зразка, а також 10mm (край) та 30mm (чверть) від краю, як показано на малюнку 2. Це розташовувало термопари безпосередньо над елементами трубки та в центрі між елементами, щоб було зафіксовано максимальну різницю температур. Дані про температуру записували з інтервалами в одну секунду.
Тестування сендвіч
Тестер для сендвічів - це вдосконалена машина для тестування теплової реакції, як показано на малюнку 2. Різні типи інфрачервоних обігрівачів можна встановити в двох положеннях, звернених вертикально вгору і вниз. Це гарантує, що випробуваний матеріал може нагріватися зверху та / або знизу. Для визначення температури верхньої та нижньої поверхні досліджуваного матеріалу використовуються чотири безконтактні оптичні пірометри. Випромінювачі дозволяють нагрітися до робочої температури, а потім матеріал подають під випромінювач (и) протягом визначеного періоду. Цей тест проводили як з вольфрамом 1kW (QTM), так і з чорними порожними елементами 800W (FFEH), встановленими 75mm над зразком, щоб визначити, який нагрівач дав найкраще проникнення через матеріал.
результати
FastIR
Цей розділ повідомляє про результати, знайдені для вольфрамових та галогенних пробірок для трьох розглянутих матеріалів. Випробування проводили з трьома різними висотами нагрівача (55мм, 80мм та 95мм).
PEEK
Початкові випробування проводилися на зразку PEEK та двох нагрівачах FastIR з кварцовими галогенними трубами 1500W, розділеними 110mm. Результати цього випробування, показані на рисунку 4, вказують на те, що зразок не зміг досягти необхідної температури.
Елементи були змінені на короткохвильові галогенові (QHL) трубки 2000W, які показали, що при одному поділі проба досягла та перевищила необхідну температуру в одному місці. У цьому випадку зафіксована максимальна температура була 485 ° C, однак значні різниці температур (до 83 ° C) також були виявлені. Час, необхідний для досягнення цільової температури 425 ° C, становив 99 секунд. Це було досягнуто лише у двох місцях
Кварцові вольфрамові трубки (QTL) (2000W) також були досліджені на трьох рівнях з максимальною температурою, що падає із збільшенням відстані нагрівача. На 55mm було виявлено максимальну і мінімальну температуру 520 ° C. Цільова температура в зразку матеріалу була досягнута за 206 секунд. Збільшуючи відстань до 80mm, вони зменшувались до 450 ° C і 415 ° C, а при 95mm вище зразка максимальні та мінімальні температури зразка були 407 і 393 ° C.
На малюнку 4 показано відмінність температури, яка може виникати у зразку через близьку близькість нагрівачів до зразка, а також час, необхідний для нагрівання матеріалу до 425 ° C (206 секунд для нагрівача 2kW QT).
Вольфрамові трубки 150 ° W не були випробувані, оскільки вважалося більш оперативним збільшення відстані нагрівача, ніж зменшення потужності використовуваних елементів.
На малюнку 5 показана візуальна різниця в зразку до і після нагрівання.
ПЕКК
PEKK нагрівався лише вольфрамовими нагрівачами 2000W на 55mm. Теплова реакція матеріалу була відмінною при зафіксованих температурах, що перевищують 500 ° C. Мінімальна обумовлена температура була досягнута за 102 секунд, при цьому максимальна зафіксована температура перевищує 500 ° C.
Було помітно, що цей зразок демонструє деяке розщеплення та відшарування на краях, а також деякі поверхневі спотворення після нагрівання, як показано на малюнку 7, можливо, від поглинання вологи під час зберігання та швидкого нагрівання, що стався.
PPS
Матеріал PPS випробовували нагрівачами галогену та вольфраму 2000W. Тест на галоген проводили з розділенням 55mm, а вольфрамові випробування на 55mm та 95mm.
Дані знову показали, що вольфрамова труба була кращим нагрівачем для цього матеріалу (ніж галогеновий нагрівач) з більш високими температурами, що фіксуються при розділенні 55mm, а також більшою рівномірністю температури в зразку. Відмінність 38 ° C було зафіксовано для галогенових нагрівачів та 30 ° C для нагрівачів вольфраму. На цю записану варіацію буде сильно впливати розташування термопари відносно трубок. Ідентичне розташування термопар не гарантується.
Випробування з PPS були припинені незабаром після того, як матеріал досягнув необхідної температури 425 ° C, оскільки відбулося виділення парів, що пахнуть сіркою.
На відстані 55mm цільову температуру фіксували через 66 та 88 секунди для нагрівачів галогену та вольфраму при 55mm відповідно. Коли нагрівачі вольфраму були встановлені на зразку 95mm, цільова температура не була досягнута.
Чорна порожниста
Початкові випробування проводилися з розділенням елемент-матеріал 50mm. Підвищення температури матеріалу було дуже швидким для всіх матеріалів. З холодного старту порожнисті елементи займають приблизно 10-12 хвилин для нагрівання до стабільних робочих рівнів (температура поверхні приблизно 700 ° C). Підвищення температури матеріалу було майже подібне до кривої нагріву нагрівача, проте в цьому спостерігався відставання у часі.
PEEK
Графік часу, необхідного для нагрівання зразка PEEK для досягнення необхідної температури обробки, показаний нижче на рисунку 9. Це показує, що час нагріву до 425 ° C становить приблизно 185 секунд від моменту, коли нагрівачі увімкнено на 50mm. Якщо відстань збільшується до 100mm, час збільшується до 230 секунд. Зразок залишали між двома площинами під час нагрівання та видаляли для охолодження.
ПЕКК
Час, необхідний для PEKK, щоб досягти мінімального порогу, був трохи довшим, ніж для PEEK. Для цього існують дві можливі причини: 1.) Матеріал не поглинає інфрачервоне випромінювання, а також PEEK і 2.) Товщина матеріалу вдвічі більша (1 і 2mm відповідно). Час, необхідний для досягнення 425 ° C на 50mm, становив 181 секунд, а на 100mm це збільшився до 244 секунд
PPS
PPS дуже успішно нагрівався з чорними порожнистими елементами з 425 ° C, записаними в 171 секунд і 219 секунд при 50 і 100mm відповідно. Крива нагріву для цього матеріалу показана на малюнку 11. Знову відбулося виділення диму, що пахне сіркою, проте кількість цього була не стільки, скільки з галогенними нагрівачами, як детально описано вище. Частково це може бути пов’язано з відсутністю вентиляторів на звороті нагрівального валика.
Підсумок часу, необхідного для нагрівання матеріалів із галогеном, вольфрамом та порожнистими керамічними елементами до цільової температури, наведено нижче в таблиці 1. Оскільки монтаж галогенових елементів на більших відстанях, ніж 55mm, не був загальновдалим, ці результати були опущені з таблиці.
|
Матеріал |
Тип обігрівача (потужність)
|
відстань | Час досягнення 425 ° C |
|---|---|---|---|
| PEEK | QHL (2kW) | 55mm | 99 |
| QTL (2kW) | 55mm | 206 | |
| FFEH (800W) | 50mm | 185 | |
| FFEH (800W) | 100mm | 230 | |
| ПЕКК | 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 |
Тестування сендвіч
Для отримання інформації про передачу тепла через матеріал проводили тестування сендвіч. Це було зроблено нагріванням зразка з одного боку, вимірюванням температури з обох сторін та порівнянням результатів. Були досліджені лише вольфрамові трубки та чорні порожнисті елементи, оскільки, виходячи з результатів FastIR, короткохвильові галогенові трубки не є відповідними нагрівачами для відповідних матеріалів.
Результати для елементів QTM показують, що немає значної різниці температур між верхньою та нижньою поверхнею для матеріалів PEEK та PPS, проте PPS нагрівається швидше, а криві цього матеріалу практично не відрізняються. Слід зазначити, що ці два матеріали дуже тонкі (≈ 1мм). Як очікувалося, різниця температур для PEKK була більшою (75 ± 2oC) завдяки його товщині (≈ 2mm). Ці результати показані на малюнку 12 нижче.
З експлуатаційних причин випробування припиняється, коли пірометри виявляють температуру 300 ° C. Пік, помітний у перші 30 секунди тесту, є коефіцієнт відбиття і не є справжнім показанням температури.
Отримані результати показують, що для ПЕЕК та ППС можливе хороше ІК проникнення матеріалу за допомогою нагрівача вольфрамового типу. Однак вирівнювання температури для PEKK не настільки добре, продемонстроване майже різницею температури 75 ° C в останніх 18 секундах тесту4.
Не вдалося перемістити зразки матеріалу ближче до нагрівача, щоб проаналізувати, який ефект це матиме, оскільки гострий кут, необхідний для пірометра, щоб побачити матеріал, спотворював би показання.
Нагрівання зразків чорними порожнистими елементами на однаковій відстані (75mm) демонструє аналогічну тенденцію, коли спостерігається більша різниця температур (45 ± 2 ° C) для більш товстого матеріалу PEKK (порівняно з більш тонкими матеріалами). Температури верхньої та нижньої поверхонь PEEK практично не відрізняються; однак є різниця в температурі PPS (25 ± 2 ° C). Ці дані показані на малюнку 13. Це вказує на те, що ІЧ-проникнення PPS при випромінюванні довшої хвилі не настільки добре, як при коротших ІК вольфраму, однак вирівнювання температури PEKK є кращим (але не ідеальним).
При розділенні 75mm найвищі температури та швидкість нагріву отримують за допомогою вольфрамового нагрівача, який, здається, суперечить попереднім результатам валика. Однак це не повинно використовуватися як настанова, оскільки використовувався лише один обігрівач. Більше того, ці характеристики будуть покращені за допомогою масиву обігрівачів на відміну від одного нагрівача.
Висновок
- Випробування, проведені та детально описані вище, показують, що нагрівання трьох термопластичних вуглецевих композиційних матеріалів до мінімум 425 ° C можливе як з галогеном середньої хвилі, так і з чорними порожнистими елементами.
- Вищі максимальні температури досягаються за допомогою чорного порожнистого елемента Ceramicx 800W (FFEH).
- Час, необхідний для нагрівання PEEK до 425 ° C, становив 206 секунд для нагрівачів вольфрамової трубки 2kW при 55mm і 230 секунд для елементів FFEH при 100mm.
- Час, необхідний для нагрівання PEKK до 425 ° C, становив 102 секунд для нагрівачів вольфрамової трубки 2kW на 55mm і 244 секунд для елементів FFEH при 100mm
- Час, необхідний для нагріву PPS до 425 ° C, становив 88 секунд для нагрівачів вольфрамової трубки 2kW на 55mm і 219 секунд для елементів FFEH на 100mm
- Максимальні температури, досягнуті швидкості нагріву матеріалу та рівномірність температури поверхні є сильною функцією відстані, на якому монтуються нагрівачі від матеріалу.
- Відмінне ІЧ-проникнення і, отже, вирівнювання температури PPS та PEEK через товщину матеріалу було досягнуто за допомогою середньохвильового галогену (вольфраму). Вирівнювання температури, досягнуте за допомогою PEKK, було не таким хорошим, як для інших матеріалів.
- Відмінне ІЧ-проникнення та вирівнювання температури було помічено за допомогою PEEK із використанням чорних порожніх елементів. Ця властивість була не такою доброю, як для PEKK та PPS.
На підставі даних випробувань, наведених вище, і тісних розділень елемент-матеріал, необхідних для досягнення температур, необхідних для формування відповідних матеріалів, найкращим інфрачервоним випромінювачем є Ceramicx 800W чорний повний плоский порожнистий елемент. У той час як час досягнення необхідних температур трохи довший, ніж нагрівачі вольфраму, більш близька використовуваність елементів призведе до кращої рівномірності температури поверхні. Крім того, керамічні елементи були запущені з кімнатної температури та потребували приблизно хвилин 12 для досягнення робочих рівнів. Тому цей час можна значно скоротити за допомогою попереднього нагрівання елементів.
Слід також зазначити, що ці результати ґрунтуються на зразках, які були доступні для тестування (тобто 1mm та 2mm завтовшки). Нагрівання більш товстих деталей може потребувати значних змін технології нагріву для того, щоб забезпечити рівномірний та температурний профіль по товщині матеріалу і придатний для наступних операцій формування.
1 Кетон ефіру поліефіру
2 Поліфеніленсульфід
3 Поліетркетонекетон
4 Середня різниця між верхньою та нижньою поверхнями, взятими за останні 18 секунди тесту.
відмова
Ці результати тестування слід ретельно враховувати до того, як визначений тип інфрачервоного випромінювача буде використаний.
Повторні тести, проведені іншими компаніями, не можуть досягти тих же результатів. Відмінності в експериментальних умовах можуть змінити результати. Інші джерела помилок включають: марку використовуваних випромінювачів, ефективність випромінювача, потужність, що подається, відстань від випробуваного матеріалу до використовуваного випромінювача та навколишнє середовище. Місця, в яких вимірюється температура, також можуть викликати різницю в результатах.
