Úvod
Nákladovú efektívnosť pri výbere kompozitného materiálu nemožno posúdiť len z ceny živice. Pre formulátorov, výrobcov kompozitov a obstarávacie tímy,systémy fenolovej živiceby sa mali hodnotiť z hľadiska celkových nákladov a výkonnosti systému.
Zmysluplné hodnotenie by malo zvážiť kompletnú receptúru, spôsob spracovania, výťažnosť výroby, kvalifikačné požiadavky a zamýšľané prevádzkové podmienky. Relevantnou otázkou teda nie je len to, ktorá živica má najnižšiu nákupnú cenu, ale ktorý materiál a výrobný systém môže spĺňať požadované technické kritériá pri prijateľných celkových nákladoch.
Nákladová efektívnosť je vyššia ako cena živice
Počiatočné náklady na nákup živice zostávajú dôležitým vstupom, ale sú len jednou časťou ekonomického hodnotenia. Skutočná cena živice sa líši v závislosti od triedy, dodanej formy, požiadaviek na špecifikáciu, nákupných podmienok a iných komerčných faktorov.
Rozdiely v chémii živice a dodávanej forme môžu tiež ovplyvniť manipuláciu, spracovanie, požiadavky na vytvrdzovanie a následné výrobné náklady.
Zmysluplné porovnanie by preto malo používať zodpovedajúce požiadavky na aplikáciu, rozsah formulácie, spôsoby spracovania, rozsah výroby a predpoklady nákladového účtovníctva.
Materiálové a formulačné nákladové faktory
Pri hodnotenífenolové živice pre kompozitné materiálymali by sa zvážiť tieto faktory materiálu a formulácie:
- Trieda živice a dodávaná forma.
- Požadovaná náplň živice.
- Typ a architektúra výstuže.
- Plnivá a prísady.
- Systém vytvrdzovania a súvisiace komponenty.
- Dodávaná koncentrácia alebo nosný systém, ak je to vhodné.
- Požiadavky na skladovanie a trvanlivosť.
- Požiadavky na manipuláciu s materiálom.
Požadovaný obsah živice a správanie pri spracovaní závisia skôr od úplného zloženia kompozitu než od samotnej rodiny živíc. Architektúra výstuže, plnivá, prísady a vytvrdzovacia chémia môžu ovplyvniť spotrebu materiálu a výrobné požiadavky.
Z tohto dôvodu by sa nákupná cena živice nemala interpretovať nezávisle od zvyšku formulácie.
Výkon ohňa a závislosť na formulácii
Chovanie pri vytváraní uhlia je dôležitou charakteristikou mnohých systémov fenolových živíc a môže ovplyvniť požiarny výkon v určitých kompozitných aplikáciách.
Avšak správanie ohňa a dymu by sa nemalo odvodzovať zo samotnej identity živice. Tieto vlastnosti závisia od kompletného zloženia, výstužného systému, obsahu živice, stavu vytvrdnutia, konfigurácie vzorky, prípadne hrúbky a použiteľnej skúšobnej metódy.
Výskum špecifického systému fenolovej živice ukázal, že funkčné prísady môžu zmeniť nameranú nehorľavosť a správanie súvisiace s dymom. Takéto zistenia skôr ilustrujú povahu požiarnej odolnosti závislú od formulácie než stanovenie univerzálnej účinnosti pre fenolové živice ako triedu (Yang et al., 2023).
Faktory nákladov na spracovanie
Náklady na spracovanie môžu významne prispieť k celkovým nákladom na výrobu kompozitných komponentov.
Relevantné faktory môžu zahŕňať:
- Vyliečiť chémiu.
- V prípade potreby riadenie volatility.
- Požiadavky na cyklus vytvrdzovania.
- Požiadavky po vytvrdnutí, ak sú špecifikované.
- Požiadavky na nástroje.
- Teplota a tlak spracovania.
- Spotreba energie.
- Práca a manipulácia s materiálom.
- Priepustnosť a doba cyklu.
Niektoré konvenčné systémy fenolových živíc vytvrdzujúcich kondenzáciou môžu počas vytvrdzovania vytvárať vodu alebo iné prchavé vedľajšie produkty reakcie. Toto správanie je špecifické pre triedu a chémiu vytvrdzovania a nemalo by sa predpokladať pre všetky systémy fenolových živíc.
V systémoch, kde je dôležitá tvorba prchavých látok, môže neadekvátne riadenie prispieť k vnútorným dutinám alebo pórovitosti. Hou a spol. (2006) napríklad skúmali riadenie prchavých látok a spracovanie dvojitým vákuovým vakom v špecifickom komerčnom fenolovom kompozitnom systéme. Výsledky demonštrujú dôležitosť riadenia procesu pre tento študovaný systém, ale nemali by sa zovšeobecňovať na všetky fenolové kompozitné formulácie.
Profily vytvrdzovania, rýchlosti zahrievania, tlakové podmienky a doby výdrže by sa preto mali stanoviť pre presný systém živice a výrobnú cestu.
Niektoré fenolové systémy môžu tiež vyžadovať určené postupy po vytvrdnutí. V prípade potreby by sa tieto dodatočné kroky spracovania mali zahrnúť do výpočtov výrobných nákladov.
Požiadavky na nástroje podobne závisia od zvoleného procesu, podmienok vytvrdzovania, geometrie komponentov, výrobného rozsahu a živicového systému.
Výkonnostné a kvalifikačné požiadavky
Výber materiálu musí najprv spĺňať technické požiadavky zamýšľaného použitia. Nominálne lacnejší materiál neposkytuje ekonomický prínos, ak hotový kompozit nemôže spĺňať požadované špecifikácie alebo kvalifikačné kritériá.
Relevantné úvahy môžu zahŕňať:
- Požiadavky na mechanické vlastnosti.
- Požiadavky na tepelný výkon.
- Požiadavky na rozmery.
- Podmienky vystavenia životného prostredia.
- Požiadavky na požiar a dym, ak sú použiteľné.
- Elektrické požiadavky, ak sú použiteľné.
- Špecifikácie zákazníka.
- Požiadavky na kvalifikáciu a skúšanie.
Mechanický výkon závisí od kompletného kompozitného systému, vrátane typu výstuže, obsahu výstuže, receptúry, stavu vytvrdnutia a kvality spracovania.
Správanie sa pri tepelnom rozklade a tvorba uhlia sa tiež líšia medzi systémami fenolovej živice a mali by sa hodnotiť podľa príslušného zloženia a testovacích podmienok.
Podobne aj zmrašťovanie pri vytvrdzovaní, tepelná rozťažnosť a charakteristiky súvisiace s ohňom by sa mali posudzovať na zamýšľanom kompozite a nie odvodzovať sa zo všeobecných opisov skupiny živíc.
Výrobný výnos, šrot a prepracovanie
Výťažok výroby môže podstatne ovplyvniť náklady na prijateľný komponent.
Medzi relevantné výrobné faktory patria:
- Materiálové využitie.
- Kontrola vád a defektov.
- Konzistentnosť procesu.
- Výťažok prvého prechodu.
- Šrotovné.
- Požiadavky na prepracovanie.
- Priepustnosť výroby.
Nedostatočná kontrola procesu môže zvýšiť šrot, prepracovanie, spotrebu materiálu a pracovné požiadavky. Tieto náklady by mali byť zahrnuté pri porovnávaní kandidátskych živíc a výrobných systémov.
Štúdie nákladov na výrobu kompozitov tiež dokazujú, že je dôležité zvažovať viacero krokov procesu a nákladových faktorov namiesto spoliehania sa na porovnanie ceny jedného materiálu (Hueber a kol., 2016; Hueber a kol., 2019).
Úvahy o nákladoch životného cyklu
V závislosti od aplikácie môže ekonomické hodnotenie zvážiť aj náklady, ktoré vznikajú po výrobe.
Relevantné faktory môžu zahŕňať:
- Požiadavky na kontrolu.
- Požiadavky na údržbu.
- Požiadavky na opravu.
- Intervaly výmeny.
- Prestoje.
- Servisné prostredie.
- Požiadavky na koniec životnosti.
Tieto faktory sú špecifické pre aplikáciu. Úspory počas životného cyklu by sa preto nemali požadovať bez príslušných servisných údajov alebo vhodnej analýzy nákladov na životný cyklus.
Prečo si porovnanie cien živice a živice vyžaduje zodpovedajúce podmienky
Priame porovnania medzi fenolovými živicami a alternatívnymi polymérnymi systémami sú zmysluplné len vtedy, keď sú podmienky porovnávania jasne definované.
Medzi relevantné podmienky porovnania patria:
- Porovnateľné aplikácie konečného použitia.
- Ekvivalentné požiadavky na výkon.
- Porovnateľné výstužné systémy.
- Porovnateľný rozsah formulácie.
- Porovnateľné výrobné postupy.
- Porovnateľný rozsah výroby.
- Konzistentný geografický a časový základ pre náklady.
- Konzistentné metódy nákladového účtovníctva.
Modely výrobných nákladov môžu byť ovplyvnené aj neistotou v spotrebe materiálu, pracovnom čase, procesných parametroch a iných vstupoch. Metódy odhadu nákladov by preto mali zohľadňovať príslušný procesný reťazec a hlavné faktory nákladov, než predpokladať, že jedna rodina živíc je vo svojej podstate ekonomickejšia ako druhá (Hueber a kol., 2016; Hueber a kol., 2019).
Čo by mali hodnotiť výrobcovia a kupujúci kompozitov
Pre výrobcov kompozitov
Pri hodnotení systému fenolovej živice na výrobu kompozitov by výrobcovia mali zvážiť:
- Aká presná trieda živice sa hodnotí?
- Aký je dodaný formulár?
- Aký typ výstuže a architektúra sú špecifikované?
- Aké množstvo živice je potrebné?
- Aké plnivá, prísady alebo komponenty vytvrdzovacieho systému sa používajú?
- Aký liečebný cyklus platí pre presnú formuláciu?
- Sú potrebné kroky po vytvrdnutí?
- Aké nástroje a spôsob spracovania sú potrebné?
- Aké využitie materiálu a výťažok prvého prechodu sa dosahuje?
- Aké množstvo odpadu a prepracovania sa vyskytuje vo výrobných podmienkach?
- Ktoré výkonnostné a kvalifikačné skúšky platia?
- Aké environmentálne, zdravotné a bezpečnostné kontroly sa vyžadujú počas manipulácie a spracovania?
Pre kupujúcich
Pri špecifikovaní alebo nákupe fenolovej živice pre kompozitné aplikácie by kupujúci mali potvrdiť:
- Presné označenie triedy.
- Chémia a typ živice.
- Dodávaný formulár.
- Relevantné informácie o spracovaní a kontrole kvality.
- Dokumentácia liečby.
- Informácie o skladovaní a trvanlivosti.
- Technický list (TDS).
- Karta bezpečnostných údajov (KBÚ).
- Certifikát analýzy (CoA).
- Uvedené skúšobné metódy.
- V prípade potreby údaje o hodnotení vzorky alebo pokusu pre zamýšľanú formuláciu.
TDS alebo CoA charakterizuje dodanú triedu živice, ale sama osebe nestanovuje ekonomiku spracovania ani výkonnosť finálneho kompozitu v konkrétnej aplikácii.
Kvalifikácia aplikácie by preto mala spájať dokumentáciu dodávateľa s príslušnými skúškami zloženia, výrobnými údajmi a testovaním výkonu.
Záver
Nákladovú efektívnosť fenolovej živice v kompozitných aplikáciách nemožno určiť len z ceny živice.
Výber materiálu by sa mal hodnotiť na úrovni celého zloženia a výrobného systému. Kvalita živice, dodávaná forma, náplň živice, výstuž, plnivá a prísady, požiadavky na vytvrdzovanie, spôsob spracovania, nástroje, energia, práca, priepustnosť, výťažnosť výroby, šrot, prepracovanie, kvalifikácia a servisné podmienky, to všetko môže ovplyvniť konečné náklady na prijateľný komponent.
Výrobcovia kompozitov, formulátori a odborníci na obstarávanie by preto mali porovnávať kandidátske systémy za zodpovedajúcich technických a ekonomických podmienok a spoliehať sa na špecifickú dokumentáciu, aplikačné testovanie a relevantné výrobné údaje predtým, než urobia konečné rozhodnutie o výbere materiálu.
Referencie
- Hou, TH, Bai, JM a Baughman, JM (2006). Spracovanie a vlastnosti fenolického kompozitného systému. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 25 (5), 495–502. DOI: 10.1177/0731684405058271.
- Yang, X., Zhi, M., Li, Y., Xin, H., Fan, R., Chen, X., Liu, Q., & He, Y. (2023). Vylepšená retardácia horenia a vlastnosti potláčania dymu fenolovej živice začlenením častíc MoO3. High Performance Polymers, 35(6), 559-570. DOI: 10.1177/09540083231153336.
- Hueber, C., Horejsi, K., & Schledjewski, R. (2016). Prehľad odhadu nákladov: metódy a modely výroby kompozitov v letectve. Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science, 2(1), 1–13. DOI: 10.1080/20550340.2016.1154642.
- Hueber, C., Schwingshandl, N., & Schledjewski, R. (2019). Šírenie neistoty a analýza citlivosti pri odhade nákladov na výrobu kompozitov: ALPHA-rámec a vývoj nákladového nástroja. Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science, 5(2), 69–84. DOI: 10.1080/20550340.2019.1599536.