Kompozyty z włókna szklanego (GRP) na skalę przemysłową są zazwyczaj utwardzane termicznie. Bardziej eleganckim i szybszym rozwiązaniem jest konsolidacja tworzyw sztucznych z włókna szklanego w oparciu o promieniowanie UV jako proces produkcyjny inline. Dzięki odpowiednim formułom żywic i właściwej technologii naświetlania, arkusze, tuleje lub profile mogą być utwardzane i suszone bezpośrednio w procesie w ciągu kilku minut. Za ten zrównoważony wariant procesu firma IST Metz GmbH & Co. KG otrzymała w marcu nagrodę ThinKing. Wynika to z faktu, że utwardzanie UV może nie tylko działać bez CO2, ale jest również szczególnie odpowiednie do produkcji seryjnej dzięki krótkim czasom przepustowości.
Baden-Württemberg State Agency for Lightweight Construction zaprezentowała tę innowację ze swoim ThinKingiem w marcu 2022 roku. Dzięki temu znakowi Leichtbau BW GmbH co miesiąc udostępnia platformę dla innowacyjnych produktów lub usług w zakresie lekkich konstrukcji z Badenii-Wirtembergii.
W skrócie:
- Krótki czas produkcji: Hartowanie wysokoenergetycznym światłem zajmuje tylko kilka minut.
- Brak emisji CO2: Proces hartowania światłem jest wolny od emisji CO2, gdy wykorzystywana jest zielona energia elektryczna.
- Energooszczędność: Źródło energii świetlnej nie musi być podgrzewane ani utrzymywane w temperaturze roboczej. Wymaga jedynie energii do procesu konsolidacji.
- Redukcja kosztów: Konsolidacja kompozytów odbywa się bezpośrednio w procesie. Transport do komory w celu utwardzenia i związana z tym obsługa półproduktów nie są konieczne.
- Zrównoważony rozwój: Bardziej przyjazny dla środowiska jednoskładnikowy system żywic nie wymaga styrenu ani rozpuszczalników.
- „Przemysł chemiczny poczynił tak duże postępy w formułowaniu żywic utwardzanych promieniami UV, że możemy teraz zaoferować utwardzanie promieniami UV w seryjnej produkcji elementów z kompozytów włóknistych jako etap procesu inline” - mówi Arnd Riekenbrauck, Senior Manager New Markets w IST Metz GmbH & Co. KG.
Aby wyprodukować komponenty lub półprodukty z TWS, impregnowane żywicą włókna (szklane) są najpierw kształtowane w pożądaną formę - w przypadku arkuszy jako listwy, nawijane na tuleje lub pultrudowane na profile. Zaimpregnowany system włókno-żywica jest następnie sieciowany, utwardzany i suszony poprzez zastosowanie energii. Do tej pory do produkcji arkuszy lub profili konieczne były długie, ogrzewane linie technologiczne, a do produkcji elementów nawijanych - piece lub komory suszenia. Duże instalacje, wysokie zużycie energii i nakłady czasowe, a także dodatkowe zadania związane z transportem i obsługą charakteryzowały dotychczas ten etap procesu w produkcji lekkich komponentów.
Szybkie i eleganckie utwardzanie w linii
Może się to nagle zmienić dzięki zastosowaniu procesu UV. Włókna szklane idealnie nadają się do utwardzania promieniami UV ze względu na ich przezroczystość. Sekundy do kilku minut to wszystko, czego potrzeba do utrwalenia systemów matryc włóknistych za pomocą źródeł promieniowania UV lub UVVis. Po utwardzeniu i schłodzeniu komponent można natychmiast załadować i poddać dalszej obróbce. „W jednym z zastosowań byliśmy w stanie skrócić linię produkcyjną o ponad 80 procent”, mówi Arnd Riekenbrauck. W innym przypadku jedna minuta naświetlania promieniami UV wystarczyła do skonsolidowania 50-centymetrowej tulei GRP wyprodukowanej w procesie nawijania włókien. Ze względu na krótkie czasy cyklu, proces utwardzania UV jest idealny do procesów seryjnych i ciągłych. Proces ten jest również dobrym wyborem dla szczególnie dużych komponentów.
Idealne zastosowania można zatem znaleźć - w prawie wszystkich branżach - w procesach ciągłych, takich jak pultruzja lub w produkcji materiałów płaskich, ale także w procesach RTM lub BMC/SMC.
Oszczędność energii, brak styrenu i CO2
W przeciwieństwie do stale ogrzewanego pieca lub linii, źródła promieniowania UV zużywają energię tylko wtedy, gdy są potrzebne do konsolidacji. Koszty energii można zatem bezpośrednio przeliczyć na koszty jednostkowe. Co więcej, mogą być zasilane ekologiczną energią elektryczną, więc nie ma emisji CO2. We wszystkich zastosowaniach utwardzanie promieniami UV wymaga średnio tylko około 30 procent energii procesów termicznych. We wspomnianym powyżej przykładzie tulei zwijanej, ilość wymaganej energii wynosiła około 0,25 kW na element obrabiany.
Jednoskładnikowe systemy żywic na bazie akrylanów epoksydowych, które nadają się do utwardzania promieniami UV, mają teoretycznie nieograniczoną żywotność. W zależności od zastosowania, wysiłek związany z czyszczeniem jest zatem zmniejszony i można pominąć mieszanie. Zmniejsza się ilość odpadów produkcyjnych. Ponadto żywice nie wymagają styrenu ani innych rozpuszczalników. Jednak pod względem właściwości mechanicznych są one co najmniej porównywalne z poprzednimi systemami żywic po konsolidacji.
Doświadczenie procesowe wpływa na jakość
Nawet jeśli konsolidacja UV wydaje się prosta, zaprojektowanie etapu procesu inline wymaga doświadczenia, ponieważ musi on być indywidualnie dostosowany do danego produktu. Arnd Riekenbrauck wyjaśnia: „Nasze know-how w zakresie zastosowań i procesów obejmuje nie tylko lampy, ale także odpowiednią koncepcję chłodzenia lub wszelkie niezbędne środki ochrony przeciwwybuchowej ze względu na wysokie temperatury. A sam projekt instalacji lamp na całej szerokości linii technologicznej ma duży wpływ na powtarzalną jakość sieciowania, utwardzania i suszenia”.
Oprócz temperatury i jednorodnego napromieniowania, odpowiednie długości fal muszą być również dopasowane do materiału włóknistego, elementu i postępu procesu: od długofalowego promieniowania UVVis dla grubszych materiałów do krótkofalowego promieniowania UV-C do czystego utwardzania powierzchni warstw wykończeniowych na elementach GRP. Konieczne może być również jednoczesne naświetlanie od góry i od dołu, na przykład w przypadku materiałów warstwowych lub gdy przezroczystość włókien ogranicza głębokość penetracji wiązek.
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