HUN-REN-BME Kutatócsoport





Újszerű szénszálas erősítő struktúrák fejlesztése nagyszériás polimer kompozit termékek tervezhető megerősítésére

Pályázati azonosító:
2018-1.3.1-VKE-2018-00001
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2019. május 1. - 2022. április 30.
Témavezető (BME):
Dr. Kovács József Gábor
Dr. Suplicz András
Konzorciumi partnerek (BME):
Zoltek Zrt. (konzorciumvezető)

SAJTÓKÖZLEMÉNY (PROJEKTKEZDÉS)

SAJTÓKÖZLEMÉNY (PROJEKTZÁRÁS)

Pályázat összefoglalója

A szénszál fontos jellemzője a sokoldalú felhasználhatóság, és lehetséges különböző anyagokkal, köztük más szálakkal, műanyagokkal, fémekkel, fával és betonnal együtt alkalmazni számtalan területen. Az előnyös tulajdonsága, hogy kis tömegű, de nagy szilárdságú és merevségű kompozit termékeket lehet belőle előállítani, amelyek korrózióállóak, hőállóak és elektromosan akár vezetőképesek is. E tulajdonságai miatt a világon egyre nagyobb a kereslet a szénszálas anyagokra. A projekt olyan szénszálas kompozit technológiák kifejlesztését célozza meg, amelyek megfizethető könnyűszerkezetes megoldásokat jelentenek a szériajárművek számára a könnyű (kis súlyú) autóipari alkatrész, valamint kevesebb energiafogyasztás az autógyártás és használat révén. Az egyik továbbfejlesztésre szánt technológia az SMC eljárás (sheet molding compound), amelynek alap előnye, hogy a gyártás során kevésbé van hulladékképződés a hagyományos hosszúszálas kompozit technológiákhoz (RTM, Prepreg) képest. Ezt a technológiát úgy fejlesztjük tovább, hogy annak hátrányát kiküszöbölve, kontrollált szálorientáció, ezáltal tervezhető teherviselés legyen a szerkezetben. A másik továbbfejlesztésre szánt technológia a térhálós alapanyagok hátrányainak kiküszöbölésére alkalmas termoplasztikus gyantainfúzió technológiája, amely egyesíti a térhálós rendszerek kiváló impregnáló képességét és a termoplasztikus rendszerek sokoldalú feldolgozhatóságát és újrahasznosíthatóságát. A fejlesztés itt is a tervezett orientáció egyszerűbb és költséghatékonyabb beépítését célozza meg. A projekt tehát alternatív megoldásokat kínál a rendelkezésre álló energia- és anyagi erőforrások termékhatékonyabb kihasználása érdekében, mivel előre láthatóan már a közeljövőben, 2025 előtt jelentősen megnő az igény a könnyű, de mégis erős szerkezeti anyagok iránt. A projekt célja, hogy a Zoltek Zrt. által gyártott PX35 szénszál roving annak előnyös tulajdonságait a lehető legjobb mértékben kihasználva, irányítottan kerüljön beépítésre az SMC és a termoplasztikus gyantainfúzió technológiák esetében. (A roving magas ár-érték arányú textil típusú prekurzor alapú szénszálköteg. Ezt alkalmazva 6 hónap alatt megvalósítható gyártási kapacitás növelés ellentétben a versenytársak 18-24 hónapos megvalósítási idejével.) A jelenlegi SMC technológia – kedvező gyártási költségei mellett – lényegesen rosszabb mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint napjaink hosszúszálas kompozit technológiái. A jelenlegi termoplasztikus gyantainfúzió ugyan kiváló mechanikai és újrahasznosíthatósági tulajdonságokkal rendelkezik, de a jelenlegi folyamatban az előgyártmány készítés és a technológia bizonytalansága miatt nem versenyképes. A javasolt új hibrid SMC technológia és hibrid termoplasztikus gyantainfúzió viszont olyan versenyelőnyt biztosít a Zoltek Zrt. számára, amelyben az új technológiák révén a cég jelentősen (akár 50 %-kal) több szénszálat (PX35) tud gyártani és értékesíteni az autóipar számára. A projekt során fejlesztendő technológiák a tömegközlekedésben, hajóiparban, szállítmányozásban, sporteszközökben – minden olyan területen ahol a kis tömeg előnyt jelent – de akár háztartási eszközökben és robotokban is használhatók lesznek. A projekt újdonsága – az irányított megerősítéseken felül – az 50K-s rovingok és a mátrixanyagok közti jobb tapadás kialakítása, ezzel még jobb szilárdságot elérve a termékekben. A fejlesztéshez a Zoltek Zrt. felhasználja a PX35 szélszálainak egy új – KASSEN-nek nevezett – szálfektetési stratégiáját is, ami kedvezően befolyásolja majd a termékgyártást. A pályázat sikeres lebonyolítását biztosítja a Zoltek Zrt. szénszálak gyártásában és technológiafejlesztésben szerzett sokéves tapasztalata, valamint a BME Polimertechnika Tanszékének K+F+I területen elért eredményei és kutatási háttere. Ezt tovább erősíti a cég és a tanszék között kötött együttműködési megállapodás, amelynek keretében az együttműködés az alaptudományi területeken már több éves múltra tekint vissza.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2019. május 1. - 2020. április 30.
A beszámolási időszakban a BME Polimertechnika Tanszéken egy átfogó irodalomkutatással megalapoztuk a tudásunkat a kaprolaktám feldolgozása területén. Bemutattuk, hogy a kaprolaktámokhoz milyen aktivátorok és katalizátorok, és milyen mennyiségben kellenek, hogy a polimerizációs folyamat lezajlódjon. A polimerizációt előnyös a Tm hőmérséklet alatt (140–160 °C-on) elvégezni, mert így magas konverziót és magas kristályos részarányt lehet elérni, illetve a polimerizáció lezáródásával szilárd polimert kapunk. Emellett bemutattuk a T-RTM technológia folyamatát és a hozzá alkalmazható berendezéseket (irodalom és szabadalomkutatás). Megismertük az SMC technológia főbb jellemzőit, és a 3D erősítőstruktúrák gyártási lehetőségeit. Kísérleti munkánk során megvizsgáltuk az ε-kaprolaktám gyűrűfelnyitásos polimerizációs folyamatát, illetve a különböző tényezők hatását az anionos polimerizációra és a kész polimer tulajdonságaira. Az elkészített mintákon mechanikai, termikus és reológiai vizsgálatokat végeztünk. Kimutattuk, hogy a környezeti légnedvesség gátolja a polimerizációs folyamatot, illetve a kész poliamidra lágyító hatással van. Reométeres mérésekkel bemutattuk, hogy a polimerizációs hőmérséklet növelésével a reakció felgyorsul, ami során az anyag viszkozitása jelentősen megnő. Ezzel kimutattuk az anyag feldolgozhatóságának korlátait (feldolgozási ablakát). Bemutattunk több modellt is, amellyel a kaprolaktám polimerizációs és kristályosodási és viszkozitás változási folyamatait tudjuk leírni. Ezeket a modelleket későbbi szimulációs fejlesztéseinknél tudjuk hasznosítani.
T-RTM sematikus vázlata: A – fűtés; B – ε-CL+iniciátor; C – adagoló egység; D – ömlesztőegység; E – adagoló egység; F – szerszám; G – keverőfej; H – termék; I – záróegység; K – ε-CL+aktivátor

2. munkaszakasz
2020. május 1. - 2021. április 30.
A mérföldkő során megterveztünk és legyártottunk több olyan kísérleti erősítő struktúrát, amelyekkel a minták szilárdsága és modulusza növelhető. Az erősítő struktúrákat Markforged típusú 3D nyomtatóval állítottuk elő szálerősített poliamid alapanyagból. A beágyazási kísérleteket első sorban fröccsöntéssel végeztük el. Eredményeként azt kaptuk, hogy a struktúrák 30%-os növekményt eredményeztek a vizsgált mechanikai tulajdonságokban. A következő lépésként a poliamid 6 anionos gyűrűfelnyitásos in-situ polimerizációja során történő beágyazhatóságot vizsgáltuk. A polimerizációs kísérletek sikeresek voltak, a struktúra és a mátrix között jó adhézió alakult ki. Kimutattuk továbbá, hogy amennyiben az előgyártmány nincs kiszárítva, annak nedvességtartalma gátolja a polimerizáció folyamatát. Megmértük több, kompozitok esetében alkalmazott szövet permeabilitását (áteresztőképességét) is, amely eredmények a szimulációs elemzésekhez fontos anyagjellemzőt szolgáltatnak. A hagyományos RTM szimulációk beállításainak és anyagjellemzőinek módosításával képesek voltunk a T-RTM folyamatot modellezni. Ehhez több anyagmodellt is kidolgoztunk. Emellett megterveztünk egy T-RTM szerszámot is, amellyel a beszerzendő berendezésen tudunk mintákat gyártani.

3. munkaszakasz
2021. május 1. - 2022. április 30.
A Zoltek PX35 szálaiból készített szövetek felhasználásával, T-RTM technológiával sikeresen létrehoztunk poliamid 6 mátrixú, folytonos szálerősítésű kompozitokat. Az újszerű kompozit nagy előnye, hogy hőre lágyuló mátrixanyaga révén újrahasznosítható, ezzel csökkentve a környezeti terhelést. A kisebb elemi száltartalmú rovingokból készített szövetet megfelelően tudtuk impregnálni a kiindulási monomerrel, így kiváló mechanikai tulajdonságokat értünk el (37 GPa rugalmassági modulus és 520 MPa szakítószilárdság). A T-RTM-el készített kompozitok esetén egy komplex termék kialakításához szükséges lehet más technológiai eljárás alkalmazása is, pl.: a ráfröccsöntés. Ezért kidolgoztunk egy számítási metódust, amellyel az előgyártmány és a ráfröccsöntött rész közötti adhézió előrejelezhető. A módszer alkalmazhatóságát mérésekkel igazoltuk. A két termékrész közötti adhéziót átfogóan vizsgáltuk, amely alapján meghatározhatók az optimális gyártási paraméterek. Emellett kidolgoztunk több olyan 3D nyomtatási stratégiát is, amellyel rövid és folytonos szálerősítésű, orientált kompozit erősítőstruktúrák nyomtathatók. A struktúra alkalmazhatóságát fröccsöntési és reaktív fröccsöntési kísérletekkel igazoltuk. Mindkét esetben jó adhézió alakult ki a két komponens között. A vágott szálas előgyártmány esetén kisebb, a folytonos szálak alkalmazásával nagyobb mértékű javulást értünk el a mechanikai tulajdonságokban. Emellett bizonyítottuk, hogy a nyomtatott struktúrák mechanikai tulajdonságai jó pontossággal előrejelezhetők VEM eszközökkel és kompozit számítási módszerekkel. A szimulációs modellek bemenő paramétereinek finomhangolásával és az RTM szimulációs eljárás módosításával sikeresen tudtuk végeselemes analízissel lekövetni a szerszámban lezajló folyamatokat (mint erősítőszövet, mint 3D nyomtatott struktúra esetén), amelyet mérésekkel igazoltunk. Ehhez szükség volt az erősítőstruktúrák permeabilitásának meghatározására.



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Horváth Sz., Kovács J. G.: Effect of Processing Parameters and Wall Thickness on the Strength of Injection Molded Products. Periodica Polytechnica-Mechanical Engineering, 68, 78-84 (2024) 10.3311/PPme.24068 IF=1.3
  2. Kotrocz L., Bakonyi P.: Investigation the temperature-dependent surface mechanical properties of PolyJet printed samples by cyclic indentation testing in a DMA system. Results in Materials, 17, 100360/1-100360/1-8 (2023) 10.1016/j.rinma.2022.100360
  3. Párizs R. D., Török D., Ageyeva T., Kovács J. G.: Multiple In-Mold Sensors for Quality and Process Control in Injection Molding. Sensors, 23, 1735/1-1735/18 (2023) 10.3390/s23031735 IF=3.9 Q2
  4. Szuchács A., Ageyeva T., Kovács J. G.: Modeling and measuring the bonding strength of overmolded polymer parts. Polymer Testing, 125, 15 (2023) 10.1016/j.polymertesting.2023.108133 IF=5.1 D1
  5. Török D., Zink B., Ageyeva T., Hatos I., Zobač M., Fekete I., Boros R., Hargitai H., Kovács J. G.: Laser powder bed fusion and casting for an advanced hybrid prototype mold. Journal of Manufacturing Processes, 81, 748-758 (2022) 10.1016/j.jmapro.2022.07.034 IF=6.2 Q2
  6. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: Comprehensive in-mould state monitoring of Material Jetting additively manufactured and machined aluminium injection moulds. Journal of Manufacturing Processes, 84, 1298-1309 (2022) 10.1016/j.jmapro.2022.10.070 IF=6.2 Q2
  7. Boros R., Ageyeva T., Golcs Á., Krafcsik O. H., Kovács J. G.: Plasma treatment to improve the adhesion between ABS and PA6 in hybrid structures produced by injection overmolding. Polymer Testing, 106, 107446/1-107446/ (2022) 10.1016/j.polymertesting.2021.107446 IF=5.1 D1
  8. Tóth Cs., Kovács N. K.: Comparison of the accuracy of analytical models for basalt fiber–reinforced poly(lactic acid) composites prepared by injection molding and fused filament fabrication. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 121, 3999–4010 (2022) 10.1007/s00170-022-09572-8 IF=3.4 Q2
  9. Párizs R. D., Török D., Ageyeva T., Kovács J. G.: Machine Learning in Injection Molding: An Industry 4.0 Method of Quality Prediction. Sensors, 22, 2704/1-2704/16 (2022) 10.3390/s22072704 IF=3.9 Q2
  10. Zink B., Kovács J. G.: Pressure‐dependent heat transfer coefficient measurement for thermoplastic melts. Polymer Engineering and Science, 62, 1137-1146 (2022) 10.1002/pen.25912 IF=3.2 Q2
  11. Petrény R., Tóth Cs., Mészáros L., Horváth A.: Development of electrically conductive hybrid composites with a poly(lactic acid) matrix, with enhanced toughness for injection molding, and material extrusion-based additive manufacturing. Heliyon, 8, e10287/1-e10287/ (2022) 10.1016/j.heliyon.2022.e10287 IF=4 Q2
  12. Semperger O. V., Suplicz A.: The effect of the titanium dioxide nanoparticles on the morphology and degradation of polyamide 6 prepared by anionic ring-opening polymerization. Polymer Engineering and Science, 62, 2079-2088 (2022) 10.1002/pen.25990 IF=3.2 Q2
  13. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: State-monitoring and product quality measurement of additively manufactured injection mould inserts. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1246, 012020/1-012020/8 (2022) 10.1088/1757-899X/1246/1/012020
  14. Török D., Ageyeva T., Boros R., Kovács Á., Kovács J. G.: Developing a method for evaluating color changeover in a hot-runner multi-cavity injection mold. Polymer Testing, 115, 107759/1-107759/9 (2022) 10.1016/j.polymertesting.2022.107759 IF=5.1 D1
  15. Semperger O. V., Török D., Suplicz A.: Development and Analysis of an In-Mold Coating Procedure for Thermoplastic Resin Transfer Molding to Produce PA6 Composites with a Multifunctional Surface. Periodica Polytechnica-Mechanical Engineering, 66, 350-360 (2022) 10.3311/PPme.21048 IF=1.3
  16. Krizsma Sz. G., Kovács N. K., Kovács J. G., Suplicz A.: In-situ monitoring of deformation in rapid prototyped injection molds. Additive Manufacturing, 42, 102001/1-102001/8 (2021) 10.1016/j.addma.2021.102001 IF=11.632 D1
  17. Szabó F., Suplicz A., Kovács J. G.: Development of injection molding simulation algorithms that take into account segregation. Powder Technology, 389, 368-375 (2021) 10.1016/j.powtec.2021.05.053 IF=5.64 Q1
  18. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: Additív gyártástechnológiával előállított fröccsöntő szerszámbetétek üzem közbeni deformációinak vizsgálata. Polimerek, 7, 155-160 (2021)
  19. Semperger O. V., Pomlényi P., Suplicz A.: Felület-bevonatolási eljárás T-RTM technológiához. Polimerek, 7, 186-192 (2021)
  20. Rajamani P. K., Ageyeva T., Kovács J. G.: Personalized Mass Production by Hybridization of Additive Manufacturing and Injection Molding. Polymers, 13, 1-19 (2021) 10.3390/polym13020309 IF=4.967 Q1
  21. Szuchács A., Ageyeva T., Boros R., Kovács J. G.: Bonding strength calculation in multicomponent plastic processing technologies. Materials And Manufacturing Processes, 36, 1-9 (2021) 10.1080/10426914.2021.1948052 IF=4.783 Q2
  22. Tóth Cs., Kovács N. K.: Characterization of short fiber-reinforced polylactic acid composites produced with Fused Filament Fabrication (FFF). in '12th Hungarian Conference on Materials Science Balatonkenese, Magyarország. 2019.10.13-2019.10.15,8 (2020)
  23. Tábi T., Csézi G., Kovács N. K.: 3D nyomtatott biokompozit vázszerkezetű fröccsöntött termékek vizsgálata. Polimerek, 6, 1042-1046 (2020)
  24. Fris D. R., Szabó F.: Modelling of segregation during injection moulding. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 903, 012022/1-012022/8 (2020) doi:10.1088/1757-899X/903/1/012022
  25. Semperger O. V., Suplicz A.: The effect of titanium dioxide on the moisture absorption of polyamide 6 prepared by T-RTM. in '12th Hungarian Conference on Materials Science Balatonkenese, Magyarország. 2019.10.13-2019.10.15,8 (2020)
  26. Fris D. R., Szabó F.: Hálófinomítási eljárás fejlesztése fröccsöntési szimulációs alkalmazásokhoz. in 'XXVIII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia – OGÉT 2020 Online, . 2020.04.25.-2020.04.26,57-60 (2020)
  27. Suplicz A., Boros R., Semperger O. V.: Investigation of the interfacial adhesion of glass bead-filled multicomponent injection moulded composites. in '12th Hungarian Conference on Materials Science Balatonkenese, Magyarország. 2019.10.13-209.10.15,7 (2020)
  28. Boros R., Tóth N. Gy., Kovács J. G.: Ráfröccsöntéssel készült alkatrészek vizsgálati módszerének fejlesztése. in 'XXVIII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia – OGÉT 2020 . 2020.04.25., 41-44 (2020)
  29. Semperger O. V., Suplicz A.: The Effect of the Parameters of T-RTM on the Properties of Polyamide 6 Prepared by in Situ Polymerization. Materials, 13, 4-14 (2020) 10.3390/ma13010004 IF=3.623 Q1
  30. Tóth Cs., Kovács N. K.: Additív gyártástechnológiával készült, politejsav mátrixú kompozitok vizsgálata. Polimerek, 6, 926-930 (2020)
  31. Boros R., Sibikin I., Ageyeva T., Kovács J. G.: Development and Validation of a Test Mold for Thermoplastic Resin Transfer Molding of Reactive PA-6. Polymers, 12, 976/1-976/13 (2020) doi:10.3390/polym12040976 IF=4.329 Q1
  32. Ageyeva T., Sibikin I., Kovács J. G.: A Review of Thermoplastic Resin Transfer Molding: Process Modeling and Simulation. Polymers, 11, 1555/1-1555/28 (2019) 10.3390/polym11101555 IF=3.426 Q1
  33. Suplicz A., Semperger O. V., Kovács J. G.: Modeling the Thermal Conductivity Inhomogeneities of Injection-Molded Particle-Filled Composites, Caused by Segregation. Polymers, 11, 1691/1-1691/12 (2019) 10.3390/polym11101691 IF=3.426 Q1
  34. Semperger O. V., Suplicz A.: Titán-dioxid hatása az in-situ polimerizációval előállított poliamid 6 minták tulajdonságaira. Polimerek, 5, 730-733 (2019)
  35. Ageyeva T., Horváth Sz., Kovács J. G.: In-Mold Sensors for Injection Molding: On the Way to Industry 4.0. Sensors, 19, 3551/1-3551/21 (2019) 10.3390/s19163551 IF=3.275 Q1

© 2014 BME Polimertechnika Tanszék - Készítette: Dr. Romhány Gábor