Η μεγάλη έγχυση ινών (LFI) είναι μια νέα διαδικασία χύτευσης πολυουρεθάνης που αναπτύχθηκε με επιτυχία τα τελευταία χρόνια. Η διαδικασία έχει τα πλεονεκτήματα του υψηλού αυτοματισμού, του κύκλου σύντομης χύτευσης, του ελαφρού βάρους και του χαμηλού κόστους κατασκευής.
Στην αυτοκινητοβιομηχανία, η διαδικασία LFI χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για την κατασκευή δομικών και ημι-δομικών πάνελ, όπως τα εξαρτήματα οροφής. Σύμφωνα με αναφορές, η οροφή πολυουρεθάνης LFI του σπορ αυτοκινήτου είναι 20% ελαφρύτερη από μια οροφή από χάλυβα και περισσότερο από δύο φορές πιο άκαμπτη από την οροφή αλουμινίου ή άλλη οροφή από υαλοβάμβακα. Επιπλέον, τα σύνθετα υλικά LFI πολυουρεθάνης χρησιμοποιούνται επίσης στη βιομηχανία γεωργικών και εμπορικών οχημάτων, όπως καλύμματα ελκυστήρων, πίνακες βαρέων φορτηγών, πίνακες σώματος μπουλντόζερ, ράφια αποσκευών λεωφορείων κ.λπ.
Τα τελευταία χρόνια, οι εμπειρογνώμονες από την ιδιωτική βιομηχανία, τον στρατό και τα ερευνητικά ιδρύματα συνεργάζονται για να διερευνήσουν εάν η διαδικασία LFI μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή σύνθετων ενισχυμένων με ίνες άνθρακα (CFRP) που απαιτούνται για αγορές υλικών υψηλής απόδοσης όπως η Aerospace , επιτρέποντας τη μαζική παραγωγή με χαμηλότερο κόστος. Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Εργαστήριο Ερευνών Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ (AFRL) από το 2022 και οι συμμετέχοντες περιλαμβάνουν την παραγωγή, τη βιομηχανική τεχνολογία και τις ενεργειακές διαιρέσεις της AFRL, τον πρωταρχικό ανάδοχο Lockheed Martin, τον κατασκευαστή εξοπλισμού Kraussmaffei και το Ινστιτούτο Dayton Research (UDRI) .
Η διαδικασία κατασκευής για σύνθετα εξαρτήματα από ίνες άνθρακα που χρησιμοποιείται επί του παρόντος στην αεροδιαστημική είναι μακρά και ένταση εργασίας και τυπικά διαθέτει το prepreg από ίνες άνθρακα που τοποθετείται με το χέρι σε ένα εργαλείο μονής όψης, με σάκους και στη συνέχεια έλασης σε αυτόκλειστο για μια ολόκληρη ημέρα σκλήρυνσης. Αντίθετα, η διαδικασία LFI είναι γρήγορη, αποτελεσματική και αυτοματοποιημένη. Η διαδικασία LFI κόβει πρώτα τη γυάλινη ίνα στο επιθυμητό μήκος, η ψιλοκομμένη ίνα αναμειγνύεται με υγρή ρητίνη δύο συστατικών, στη συνέχεια ψεκάζεται σε ένα προθερμασμένο ανοιχτό καλούπι και τελικά θεραπεύεται κάτω από χαμηλή θερμότητα και πίεση. Η όλη διαδικασία είναι μία από τις μεθόδους χαμηλότερου κόστους, λιγότερες μεθόδους αποβλήτων για την κατασκευή σύνθετων υλικών και μπορεί να διαρκέσει οπουδήποτε από λίγα λεπτά έως μερικές ώρες, ανάλογα με την πολυπλοκότητα του τμήματος.
Το πρώτο σημαντικό πρόβλημα που αντιμετώπισε η ομάδα ήταν η αποστολή των ινών άνθρακα, η οποία πρέπει να διασκορπιστεί αρκετά ώστε να διασκορπίζεται ομοιόμορφα μέσα στη ρητίνη κατά τη διάρκεια της ανάμειξης και διαπίστωσαν ότι οι μεγάλες ίνες άνθρακα ρυμούλκησης του Zoltek παρείχαν τις καλύτερες μηχανικές ιδιότητες και τις ιδιότητες αφαίρεσης. Οι ερευνητές έσπασαν για πρώτη φορά μεγάλες δέσμες 50K ινών άνθρακα σε μικρότερες δέσμες 2K έως 3K και στη συνέχεια επαναδημιουργούν αυτές τις δέσμες πίσω σε 50k δέσμες. Όταν μια περικοπή εμφανίζεται στην κεφαλή LFI, είναι εύκολο να ξεδιπλώσουν.
Η επιλογή της σωστής ρητίνης είναι επίσης το επίκεντρο της έρευνας. Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε το σύστημα ρητίνης πολυουρεθάνης Covestro, το οποίο έχει σχεδιαστεί ειδικά για να μειώσει την πυκνότητα του τελικού θεραπευμένου πίνακα, ρυθμίζοντας τη μέθοδο ανάμιξης για να ελαχιστοποιήσει ή να εξαλείψει το πιθανό κενό περιεχόμενο.
Από την άποψη του εξοπλισμού επεξεργασίας, οι ερευνητές αναλύουν διάφορες μεταβλητές, συμπεριλαμβανομένης της ταχύτητας κοπής, του μήκους ινών, της αναλογίας ινών/πολυμερούς, της πίεσης του αέρα, του χρόνου πίεσης, του σχεδιασμού μούχλας και της θερμοκρασίας μούχλας, ένα από τα σημαντικά ζητήματα είναι η ικανότητα επεξεργασίας των ινών άνθρακα, ειδικά Η λεπίδα και το τύμπανο της μηχανής κοπής, η οποία μπορεί να επιτύχει καλύτερα αποτελέσματα κοπής μετά την αναβάθμιση της κοπής.
Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να διεξάγει δύο διαδηλώσεις παραγωγής που σχετίζονται με την αεροδιαστημική με τη χρήση τεχνολογίας LFI/ Carbon Fiber μέχρι το τέλος του 2025. Αλλά αυτό θα απαιτούσε σημαντικές τροποποιήσεις στο σύστημα υλικού LFI και σήμερα δεν υπάρχει επαρκής χρηματοδότηση για την κάλυψη αυτών των δαπανών.
Αυτό το συνεργατικό ερευνητικό πρόγραμμα μπορεί να προωθήσει την ανάπτυξη ολόκληρης της βιομηχανίας σύνθετων υλικών. Η αξιοποίηση των καινοτομιών αυτών των εταιρειών σε σύνθετες διαδικασίες χαμηλού κόστους θα μπορούσε να επιταχύνει τους κατασκευαστές πρωτότυπου εξοπλισμού αεροδιαστημικής (OEM), όπως το Lockheed Martin, για να βρει λύσεις παραγωγής για αεροσκάφη επόμενης γενιάς.