Proces automatycznego układania taśm i włókien (ATL i AFP) w kompozytach

Ogólnie Fiber Placement to zautomatyzowany proces produkcji kompozytów polegający na podgrzewaniu i zagęszczaniu wstępnie impregnowanych żywicą włókien niemetalicznych na typowo złożonych trzpieniach narzędziowych. Włókno zazwyczaj występuje w postaci czegoś, co określa się mianem „tows” – cośpodobnego do taśm. Taśmy są zazwyczaj wiązką włókien węglowych impregnowanych żywicą epoksydową i mają około 13 mm szerokości i 13 mm grubości i są dostarczane na szpuli. Maszyny do układania włókien zazwyczaj mają pojemność od 12 do 32 taśm o całkowitej szerokości od 40 mm do 100 mm. Taśmy są podawane do podgrzewacza i walca zagęszczającego na głowicy maszyny i poprzez ruchy robota, są umieszczane w warstwach na powierzchni narzędzia. Warstwy są zazwyczaj układane w orientacjach 0°, +45°, -45° i 90° w celu utworzenia warstw, które w połączeniu mają dobre właściwości we wszystkich kierunkach.

Proces ten dzielimy na Automatyczne układanie taśm (ATL) i automatyczne układanie włókien (AFP)

Technologia systemu automatycznego układania taśm pochodzi z technologii nawijania włókien opracowanej w latach 60-tych. Różne wersje tych maszyn zostały zbudowane przez Cincinnati-Milacron, Ingersoll Milling Machine Co., Vectronix i Goldsworthy. Pomimo różnego podejścia w projektowaniu urządzeń, wszystkie one produkowały płaskie lub lekko zakrzywione laminaty o zmiennej orientacji włókien.

Zautomatyzowane uładanie rowingu lub włókien zostało po raz pierwszy wdrożone na początku lat 80-tych. Pierwsze maszyny zostały opracowane przez Hercules Aerospace (obecnie Aliiant Techsystems) i Cincinnati Milacron (obecnie Cindnnati Machine). Pierwsze zastosowania były oczywiście w większości wojskowe i  wykorzystywane od początku lat 90-tych w V-22 Osprey, F/A-18E/F Super Hörnet i F-22 Raptor. Od połowy lat 90-tych XX wieku rozpoczęto produkcję sekcji kadłuba z zastosowaniem technologii zautomatyzowanego układania rovingu do produkcji odrzutowców (Raytheon). Dziś układanie włókien jest uznanym procesem produkcyjnym, który jest stosowany głównie w przypadku płaskich, mniej złożonych elementów.

1960s: – Pomysł na produkcję płaskich elementów poprzez nawijanie

1970s: – Pierwszy patent na automatyczne układanie taśm (ATL)

– systemy pierwszego ułożenia dla konstrukcji płaskich lub lekko zakrzywionych

1980s: – Opracowanie wielotaśmowych głowic do taśm wąskich (Avtoniated Fiber Placement / AFP)

– komercyjne głowice ATL na rynku

1990s: – Zastosowanie w elementach konstrukcyjnych lotnictwa wojskowego

– Sekcje kadłuba odrzutowców biznesowych

źródło: Compositence GmbH

Sposób działania

Proces automatycznego układania włókien (AFP) polega na umieszczaniu wiele pojedynczych, wstępnie impregnowanych włókien na formie z dużą prędkością, używając numerycznie sterowanej głowicy układającej do dozowania, zacisku, cięcia i ponownego przyklejania rowingu podczas układania. Minimalna długość cięcia (najkrótsza długość taśmy, jaką maszyna może położyć) jest podstawowym wyznacznikiem kształtu warstwy. Korzyści płynące z tego procesu obejmują szybkość, zmniejszenie ilości odpadów materiałowych i kosztów robocizny, konsolidację części i poprawę jednorodności części. Proces ten jest stosowany przy produkcji dużych części termoutwardzalnych o skomplikowanych kształtach.

Zautomatyzowane układanie taśm ATL jest jeszcze szybszym zautomatyzowanym procesem, w którym taśma wstępnie przygotowana, a nie pojedyncze rowingi, jest układana w sposób ciągły w celu formowania części. Jest ona często stosowana w przypadku części o bardzo skomplikowanych konturach lub kątach. Układanie taśmy jest uniwersalne, co pozwala na przerwy w procesie i łatwe zmiany kierunku i może być dostosowane zarówno do materiałów termoutwardzalnych jak i termoplastycznych. Nakłady inwestycyjne na komputerowo sterowane, zautomatyzowane urządzenia mogą być jednak znaczne. Nadaje się zarówno do prostych, jak i złożonych części.

W ramach współpracy Polskiego Klastra Technologii Kompozytowych z firmą Compositence GmbH chciałbym zaprosić państwa do zapoznania się z rozwiązaniami tej firmy prezentowanych na Panelu Eksperckim podczas Kompozyt-Expo 2018 w Krakowie

Prezentacja do pobrania tutaj