Glasvezelcomposieten (GVK) op industriële schaal worden meestal thermisch uitgehard. Een elegantere en snellere oplossing is de UV-gebaseerde consolidatie van glasvezelkunststoffen als een inline productieproces. Dankzij geschikte harssamenstellingen en de juiste stralingstechnologie kunnen platen, hulzen of profielen binnen enkele minuten direct in het proces worden uitgehard en gedroogd. Voor deze duurzame procesvariant ontving IST Metz GmbH & Co. KG in maart de ThinKing toegekend. UV-uitharding kan namelijk niet alleen CO2-vrij werken, maar is dankzij de snelle doorlooptijden ook bijzonder geschikt voor serieproductie.
Het Baden-Württembergse Staatsagentschap voor lichtgewicht bouw presenteert deze innovatie met zijn ThinKing in maart 2022. Met dit label geeft Leichtbau BW GmbH een maandelijks platform aan innovatieve producten of diensten in de lichtgewichtbouw uit Baden-Württemberg.
In één oogopslag:
- Korte productietijden: Het uitharden met hoogenergetisch licht duurt slechts enkele minuten.
- Geen CO2-uitstoot: Het lichthardingsproces is CO2-vrij wanneer groene stroom wordt gebruikt.
-
Energiezuinig: De lichtenergiebron hoeft niet te worden voorverwarmd of op bedrijfstemperatuur te worden gehouden. Er is alleen energie nodig voor het consolidatieproces.
-
Kostenbesparend: De consolidatie van de composieten vindt direct in het proces plaats. Transport naar een kamer om uit te harden en de bijbehorende handling van de halffabricaten zijn niet nodig.
-
Duurzaam: Het milieuvriendelijkere ééncomponent harssysteem vereist geen styreen of oplosmiddelen.
-
“De chemische industrie heeft zo'n grote vooruitgang geboekt in de formulering van UV-uithardende harsen dat we UV-uitharding nu kunnen aanbieden in de serieproductie van vezelcomposiet kunststof onderdelen als een inline processtap”, zegt Arnd Riekenbrauck, Senior Manager New Markets bij IST Metz GmbH & Co. KG.
Om onderdelen of halffabricaten van glasvezelversterkte kunststof te maken, worden de met hars geïmpregneerde (glas)vezels eerst in de gewenste vorm gebracht - voor platen als scrims, gewikkeld voor hulzen of gepultrudeerd voor profielen. Het geïmpregneerde vezel-hars systeem wordt dan vernet, uitgehard en gedroogd door energie toe te passen. Tot nu toe waren er lange verwarmde proceslijnen nodig voor plaatmateriaal of profielen en ovens of droogkamers voor gewikkelde onderdelen. Grootschalige installaties, een hoog energieverbruik en hoge tijdsbesteding en extra transport- en handlingtaken hebben deze processtap in de productie van lichtgewicht componenten tot nu toe gekenmerkt.
Snelle en elegante inline uitharding
Dit kan abrupt veranderen door het gebruik van het UV-proces. Glasvezels zijn namelijk ideaal voor UV-uitharding vanwege hun radiolucentie. Seconden tot enkele minuten volstaan om de vezelmatrixsystemen te consolideren met UV- of UVVis-stralingsbronnen. Na uitharding en afkoeling is het onderdeel onmiddellijk belastbaar en kan het verder worden verwerkt. “In één toepassing konden we een productielijn met meer dan 80 procent verkorten”, meldt Arnd Riekenbrauck. In een ander geval was één minuut UV-bestraling voldoende om een 50 centimeter lange GVK huls te consolideren die geproduceerd was met het gloeidraad wikkelproces. Door deze korte cyclustijden is het UV-uithardingsproces ideaal voor seriematige en continue processen. Het proces is ook een goede keuze voor bijzonder grote componenten.
Ideale toepassingen zijn daarom te vinden - in bijna alle industrieën - inline in continue processen zoals pultrusie of bij de productie van vlakke materialen, maar ook in RTM-processen of BMC/SMC-processen.
Energiebesparend, styreen- en CO2-vrij
In tegenstelling tot een continu verwarmde oven of lijn verbruiken de UV-stralingsbronnen alleen energie wanneer ze nodig zijn voor consolidatie. De energiekosten kunnen daarom direct worden omgerekend naar de kosten per eenheid. Bovendien kunnen ze werken op groene stroom, zodat er geen CO2-uitstoot is. Over alle toepassingen heen vereist UV-uitharding gemiddeld slechts ongeveer 30% van de energie van thermische processen. In het voorbeeld van de hierboven genoemde opgerolde huls was de benodigde hoeveelheid energie ongeveer 0,25 kW per werkstuk.
De ééncomponentharssystemen op basis van epoxyacrylaten die geschikt zijn voor UV-uitharding hebben een theoretisch onbeperkte potlife. Afhankelijk van de toepassing wordt de reinigingsinspanning dus verminderd en kan mengen achterwege blijven. Er is minder productieafval. Bovendien hebben de harsen geen styreen of andere oplosmiddelen nodig. Wat betreft hun mechanische eigenschappen zijn ze na consolidatie minstens vergelijkbaar met de vorige harssystemen.
Proceservaring maakt de kwaliteit
Ook al lijkt UV-consolidatie eenvoudig, het ontwerpen van de inline processtap vereist ervaring omdat deze individueel moet worden aangepast aan het betreffende product. Arnd Riekenbrauck legt uit: “Onze applicatie- en proceskennis omvat niet alleen de lampen, maar ook het juiste koelconcept of eventueel noodzakelijke explosiebeschermingsmaatregelen vanwege de hoge temperaturen. En het systeemontwerp van de lampinstallatie zelf over de hele breedte van de proceslijn heeft een grote invloed op de reproduceerbare kwaliteit van de verknoping, uitharding en droging.”
Naast temperatuur en homogene bestraling moeten ook de relevante golflengtes worden afgestemd op het vezelmateriaal, het onderdeel en het procesverloop: van UVVis-straling met lange golflengte voor dikkere materialen tot UV-C-straling met korte golflengte voor zuivere oppervlakteuitharding van afwerklagen op GVK-onderdelen. Gelijktijdige bestraling van bovenaf en onderaf kan ook nodig zijn, bijvoorbeeld voor sandwichmaterialen of als de doorschijnendheid van de vezels de penetratiediepte van de stralen belemmert.
The ThinKing in the video
In the video series "Lightweight construction explained easily", Leichtbau BW presents the ThinKing in just a few minutes: https://youtu.be/APtq8R48t2Q