Niezwykle dokładne symulacje obróbki materiałów kompozytowych przy użyciu mikrofal
Kompozyty to materiały wykonane z dwóch lub większej liczby elementów składowych o różnych właściwościach. Ich wdrożenie na szeroką skalę pozwoliło na znaczące zmniejszenie wagi, zwiększenie wytrzymałości, a także poprawę osiągów termicznych i związanych z przewodnictwem elektrycznym w porównaniu z konwencjonalnymi rozwiązaniami w wielu zastosowaniach. Kompozyty zawierające włókna oferują szereg zaawansowanych możliwości związanych z wybranym układem włókien oraz ich proporcjami – długością w stosunku do średnicy. Anizotropowość takich kompozytów, czyli zróżnicowane właściwości w zależności od wybranej osi pomiarów, a także duże proporcje sprawiają, że ich modelowanie jest niezwykle trudne. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu SIMUTOOL powstała kompleksowa platforma symulacyjna na potrzeby produkcji kompozytów z wykorzystaniem metody podgrzewania mikrofalowego, która rozwiązuje problemy i pozwala na uzyskanie doskonałych rezultatów.
Szybko, sprawnie, celnie
Produkcja kompozytów polega na osadzeniu materiału wzmacniającego w osnowie, co wymaga podgrzania osnowy żywicy w celu utwardzenia żywicy termoutwardzalnej (poprzez usieciowanie) w stopionej żywicy termoplastycznej. Różne metody produkcji, takie jak prasowanie na gorąco, wykorzystywanie autoklawu bądź konwencjonalnego pieca, oparte są na zjawiskach przewodzenia oraz konwekcji. Wiąże się to z koniecznością podgrzewania otaczającego narzędzia powietrza, co prowadzi do marnotrawienia czasu i energii. Wolumetryczne ogrzewanie mikrofalowe pozwala na selektywne i natychmiastowe podgrzewanie elementów, co pozwala na osiągnięcie znaczących oszczędności energii oraz zrównoważonej produkcji kompozytów. Zanim metodologia ta będzie wykorzystywana na szerszą skalę, konieczne jest opracowanie nowoczesnych metod symulacji.
W czarnej skrzynce
Dostępne na rynku narzędzia są w stanie symulować pola elektromagnetyczne, jednak nie zawsze oferują możliwości odwzorowywania szczegółów dotyczących składu i właściwości współczesnych materiałów kompozytowych. Jasmin Stein, koordynatorka projektu z ramienia firmy TWI Ltd, twierdzi: „Platforma symulacyjna SIMUTOOL oferuje możliwość symulacji pól elektromagnetycznych sprzężone z mechanizmami wymiany ciepła, które mają miejsce podczas procesu produkcyjnego. Ponadto zaprojektowaliśmy i opracowaliśmy narzędzie do wytwarzania kompozytów o osnowie ceramicznej, zawierające trwałą warstwę pochłaniającą mikrofale, dzięki któremu duża część narzędzia jest całkowicie przezroczysta dla mikrofal – dzięki temu ogrzewanie jest skierowane na element kompozytowy, a nie na całe narzędzie. Dodatkowo udało nam się zintegrować proces ogrzewania mikrofalowego z technologią automatycznego rozmieszczania włókien”. Rozwiązanie SIMUTOOL łączy w sobie rozwiązanie ESI do symulacji pól elektromagnetycznych oraz transferu ciepła, a także rozwiązań do symulacji formowania metodą wtrysku żywicy, otwierając w ten sposób nowe obszary zastosowań i poprawiając dokładność analiz, umożliwiając między innymi zastosowanie tego rozwiązania do zagadnień związanych z ogrzewaniem mikrofalowym. Precyzyjna symulacja problemów elektromagnetycznych dotyczących kompozytów w zróżnicowanych skalach jest możliwa dzięki połączeniu z narzędziem wykorzystującym rozkład ogólny oparty na metodzie elementów skończonych.
Interesujący pomysł przekracza oczekiwania
Jak podsumowuje Stein: „Wykorzystanie obliczeń równoległych oraz zoptymalizowanych narzędzi pozwalających na rozwiązanie problemów związanych z ogromnymi ilościami danych pozwoliło nam na udowodnienie możliwości symulacji dużych mikrofalowych wnęk wykorzystujących pełne fale i szerokie pasmo oraz oferujących niskie straty – dotychczas było to niemożliwe ze względu na zapotrzebowanie na moce obliczeniowe. Połączenie tych możliwości z parametryzowanym modelem sterowania procesem w czasie rzeczywistym jest kluczowym osiągnięciem”. Przeprowadzane obecnie doświadczenia wykazują, że nowe rozwiązanie pozwala na oszczędność energii w czasie procesu produkcji przekraczające 50 %, co znacząco wykracza ponad wstępne założenie projektu, czyli 30 % oszczędności względem konwencjonalnych metod. Rezultaty projektu są obecnie wykorzystywane przez poszczególnych partnerów projektu, natomiast zespół skupia się na opracowaniu projektu II etapu, którego celem będzie zwiększenie poziomu gotowości technologicznej rozwiązania. Przyszłe kierunki działań będą skoncentrowane na skracaniu czasu produkcji przy jednoczesnym doskonaleniu technologii cyfrowych, które pozwolą na uwzględnienie znacznie większej szczegółowości procesu. Z obecnych szacunków wynika, że do 2025 roku wartość światowego rynku zaawansowanych polimerów osiągnie 16,83 miliarda dolarów, głównie dzięki zainteresowaniu branży lotniczej i kosmicznej oraz przemysłu motoryzacyjnego tymi materiałami. Rozwiązanie SIMUTOOL pomoże w dostarczaniu na rynek zoptymalizowanych i zrównoważonych produktów, a także spopularyzowaniu technologii produkcji wykorzystujących mikrofale.
Słowa kluczowe
SIMUTOOL, kompozyt, mikrofale, symulacja, elektromagnetyczne, energia, produkcja, żywica, włókno, osnowa, transfer ciepła, formowanie metodą wtrysku żywicy, metoda elementów skończonych, rozkład ogólny
