Метод контактного формования

Наиболее простым по аппаратурно-технологическому оформле- нию способом получения изделий из полимерных композиционных материалов является контактное формование в открытых формах, которое применяется для изготовления крупногабаритных малона- груженных деталей сложной конфигурации: коробчатых кожухов механизмов, баков, корпусов и других элементов лодок, катеров и пр. Контактное формование изделий в открытых формах осуществляют в основном двумя методами – ручной укладкой и напылением.

В качестве основных элементов технологической оснастки при кон- тактном формовании используют формы, модели и вставки (стержни). Их назначение аналогично традиционной оснастке, используемой в литейном производстве, но имеет ряд особенностей, зависящих от при- меняемых материалов. Модели и вставки изготавливают из дерева, гипса, комбинаций гипса с металлами и другими материалами. Для получения форм по указанным на чертеже размерам изготавливают модель из дерева, гипса, фанеры или другого материала. По модели методом выкладки или полива получают оболочку – форму, поверх- ность которой в точности воспроизводит поверхность модели. Форму отделяют от модели (при этом модель часто разрушают) и полируют для улучшения внешнего вида и облегчения извлечения формуемых изделий. На отполированную форму наносят несколько слоев пасто- образного парафина. Как правило, применяют формы негативные по отношению к готовому изделию, но известны и позитивные формы.

Непосредственно перед формованием изделий на поверхность формы кистью либо распылением наносят наружный смоляной слой (гелькоут). Для этого используют полиэфирную смолу, содер- жащую наполнители и пигменты, но без армирующих добавок. Эта композиция в процессе формования переходит на формуемое изде- лие, образуя наружный слой. Гелькоут формирует наружную по- верхность будущего изделия. Гелькоуты имеют широкую палитру цветов, поэтому внешне изделие может иметь практически любой цвет. Кроме того, гелькоут предохраняет изделие от пагубного вли- яния ультрафиолета, химически активных сред, воздействия воды. Обычно цвет гелькоута отличен от цвета композита, что обеспечива- ет визуальную оценку полноты и равномерности нанесения покры-

тия. Декоративная глянцевая поверхность практически не требуетпоследующей отделки. Таким образом, в отличие от деревянных иметаллических деталей, «окрашивание» изделий в этом случае про- изводится раньше, чем они будут изготовлены.

Детали, формуемые методом ручной укладки, состоят из волок- нистого наполнителя и связующего – смеси, например, полиэфир- ной смолы с катализатором. В композиции часто дополнительно вво-дят наполнители, изменяющие свойства получаемого материала.

Следующей операцией является подготовка материала. Все типыармирующих материалов: маты из рубленой пряжи, ткани и тканый ровинг поступают в виде больших рулонов различной ширины. Листнужной длины вырубается из рулона и обрезается по шаблону. Затемтщательно смешивают заранее отмеренное количество смолы и отвер-дителя. Композицию можно наносить на волокно как вне формы, таки внутри нее. Для уплотнения материала и удаления пузырьков воз- духа применяют щетки, резиновые и зубчатые валики (рис. 2.1).

После отверждения готовое изделие извлекается из формы и под-вергается механообработке. Метод формования ручной укладкой,основанный на использовании заранее подготовленных матов или тканей, обеспечивает высокую однородность продукции по прочно- сти и возможность контроля показателей.

Лекция 23.05

Технологии получения композитных материалов.

Метод формования напылением отличается от метода ручной укладки тем, что волокнистая арматура в виде бесконечного ровинга рубится на короткие отрезки (штапельки) и доставляется в открытую форму одновременно со смесью соответствующей смолы и катализатора. Оснастка при производстве изделий напылением используется та же, что и при производстве ПКМ ручным формова- нием. Ровинг волокна проходит через рубильное устройство и вду- вается в поток смолы, который направляется в форму распылитель- ной системой. Возможная схема напыления приведена на рис. 2.2. Одна распылительная головка впрыскивает смолу, предварительно смешанную с отвердителем, или только отвердитель, в то время как вторая головка подает смесь смолы с ускорителем отверждения. По- сле введения в форму смолы с волокнистой арматурой образовав- шийся слой прикатывают вручную для удаления воздуха, уплот- нения и получения гладкой поверхности. Технология отверждения аналогична применяемой при формовании ручной укладкой.

При использовании метода напыления качество конечного изде- лия, как и при методе ручной укладки, в основном зависит от ма- стерства оператора установки по производству напылением. Кроме того, поскольку в методе напыления используются короткие и хао- тично ориентированные волокна, а контроль над толщиной наноси- мого слоя отсутствует, такой композит получается менее плотным и прочным, чем при ручном формовании.

12

3

4

5

7

6

Рис. 2.2. Воздушная система напыления с двумя емкостями: 1 – ровинг; 2 – смола с катализатором; 3 – рубильное устройство; 4 – смола

с ускорителем отверждения; 5 – уплотненный слой; 6 – валик; 7 – форма

1

Преимуществами способов формования полимерных композиционных материалов ручной укладкой и напылением являются: универсальность, возможность получения изделий сложной формы и большого размера, низкая стоимость оснастки, возможность создавать слоистые конструкции, в том числе с закладными деталями, пригодность для опытного производства. Вместе с тем для них ха рактерны большие затраты ручного труда, низкая производительность, зависимость качества изделий от квалификации формовщи ка, трудность обеспечения однородности материала и стабильности его физико-механических свойств.

Процессы формования изделий методом инфузии

Суть технологии вакуумной инфузии состоит в том, что слои бу- дущего изделия закладываются в герметичный вакуумный мешок, из которого впоследствии удаляют вакуумным насосом воздух и осуществляют пропитку связующим. Пропитка происходит за счет разницы атмосферного давления и вакуума в мешке.

Создание вакуума внутри мешка позволяет использовать давле- ние атмосферы в качестве пресса. Прижатием мешка к поверхности изделия достигают сжатия слоев армирующего наполнителя, что приводит к повышению механических характеристик композита за счет снижения количества связующего.

Для осуществления пропитки изделия, укладывают смолопро- водящую сетку, изготовленную из полимерных материалов, имею- щую объемное плетение, которая создает разряжение между арми- рующим наполнителем и мешком.

В связи с тем, что уложенная на слои арматуры смолопроводящая сетка может стать частью будущего изделия, ее разделяют жертвенным слоем, также известным как Peel Ply (от англ. peel – снимать, ply – слой). К тому же, для уста новки пакета требуется герметизирующий жгут, обеспечивающий герметичность вакуумного мешка. Последовательность укладки слоев, используемых для реализации технологии вакуумной инфузии, изображена на рис. 2.3.

Из-за особенностей технологии таким методом можно получать изделия, толщина которых не превышает 1,5–2 см. Иными слова- ми, инфузия прекрасно подходит для создания оболочечных кон- струкций, в то время как почти неприменима для толстостенных деталей.

При помощи технологии вакуумной инфузии можно изготавли- вать широкую номенклатуру изделий. Например, небольшие из-

2

9

8

7

6

5

4

4

3

2

1

Рис. 2.3. Порядок укладки слоев в технологии инфузии: 1 – оснастка, 2, 5 – герметизирующий жгут, 3 – разделительный слой, 4 – слой наполнителя, 6 – жертвенная ткань, 7 – смолопроводящая сетка,

8 – вакуумный мешок, 9 – пневмоклапан

делия – бамперы автомобилей, каски, и очень крупные – крылья самолетов, корпуса судов. Наибольший размер изделия ограничи- вается лишь размерами цеха, в котором расположено производство. В качестве примеров применения технологии вакуумной ин- фузии можно привести российский узкофюзеляжный среднема- гистральный пассажирский самолет МС-21, разрабатываемый совместно ОКБ Яковлева и корпорацией «Иркут». Это один из не- многих в мире пассажирских самолетов, крыло которых состоит их композиционных материалов (рис. 2.4). И единственный в мире, у которого крыло изготовлено из углепластика по технологии ваку- умной инфузии. Размах крыла самолета 35,9 м. Непосредственны- ми работами по производству занята компания «АэроКомпозит»

(https://www.aviaport.ru/news/2011/03/24/212829.html).

Вакуумная инфузия позволяет при сравнительно небольших финансовых затратах изготавливать изделия с высоким качеством поверхности и более контролируемым процентным содержанием связующего в композите, чем при контактной формовке. Большим достоинством технологии является также низкое, по сравнению с контактной формовкой, содержание пор. Но прежде всего, содержа- ние пор зависит от подготовки связующего непосредственно перед формовкой. Стоит обратить внимание на то, что для осуществления технологии вакуумной инфузии достаточно обычного пластинча-

3

Рис. 2.4. Крыло МС-21 на испытаниях в ЦАГИ

то-роторного вакуумного насоса и ловушки для связующего. Стои- мость насоса, как правило, невысока по сравнению с оборудовани- ем, применяемым для реализации других технологий, таким как прессы, автоклавы, составные оснастки и т. д.

Важной особенностью формования композитных изделий мето- дом вакуумной инфузии является то, что при таком формовании по- лучают изделия, наружная и внутренняя поверхности которых по- вторяют морфологию поверхностей формующих элементов (самой формы и поверхности вакуумного мешка). Кроме того, в процессе прижима формуемая композиция уплотняется в результате устра- нения пустот и удаления избытка смолы. Отверждение композиции осуществляется в прижатом к форме состоянии при комнатной тем- пературе либо при нагревании воздушными сушилками и другими устройствами. При отверждении необходимо избегать образования пузырей в композите, а также тщательно контролировать давление, температуру и массовое соотношение между волокном и смолой. При таком способе формования получается необыкновенно плот- ный, прочный и ровный ПКМ, который по прочности значительно превышает изделия ручной формовки.

Дополнительное уплотнение материала при вакуумном формо- вании может осуществляться с использованием атмосферного дав- ления, путем вакуумирования слоев наполнителя в процессе его отверждения. В некоторых случаях отверждение композитов при вакуумном формовании происходит при комнатной температуре. Однако для улучшения свойств изделия отверждение, как прави- ло, проводится при нагревании. При этом лучше всего использовать воздушные сушилки, но применяются также сушильные установ-

4

ки с инфракрасными нагревателями, а также конвекционные су- шилки пассивного типа.

Поскольку формование ПКМ включает стадию отверждения свя- зующего, как правило при повышенных температурах, то важным критерием является соотношение температурных коэффициентов объемного расширения формуемого ПКМ и материала формы. По значению этого коэффициента из металлов ближе всех к компози- там стоит сталь. Она обладает и другими ценными свойствами: пре- восходной износостойкостью, способностью работать при повышен- ных температурах и хорошей теплопроводностью.

Наиболее благоприятными для изготовления форм свойствами характеризуется керамика. Она имеет самый низкий коэффициент теплового расширения, а по теплостойкости почти не отличается от закаленной инструментальной стали. Однако при температурах окружающей среды керамика хрупкая. Она должна быть защищена от повреждений, которые ей грозят в процессе обработки. Стальные формы с керамическими вставками и без них наиболее широко при- меняются в производстве высококачественных композиционных материалов. Находят применение и формы из алюминия, никеля и сталистого чугуна. В качестве оснастки используют теплопрово- дные пластмассы и формы из слоистых пластиков, для изготовле- ния которых обычно используются очень теплостойкие литые или ламинированные эпоксидные смолы.

Основным недостатком вакуумной инфузии можно считать боль- шое количество используемых технологических материалов, ко- торые утилизируются после единственного использования. К этим материалам относится: жертвенная ткань, смолопроводящая сет- ка, герметизирующий жгут, вакуумные и спиральные трубки, а также сам вакуумный мешок. Такое большое количество чисто технологических материалов значительно повышает стоимость из- делий, произведенных по технологии инфузии при среднесерийном производстве. Наиболее успешно она применяется при единичном или мелкосерийном производстве.

Затраты времени на один цикл формовки весьма высоки по срав- нению с механизированными технологиями формования, такими как SMC и BMC.

По сравнению с автоклавом, в котором давление нагнетаемого воздуха может достигать 30 атмосфер, разница давлений при техно- логии инфузии невелика. В связи с этим, изделия, полученные мето- дом вакуумной инфузии, по своим массовым характеристикам усту- пают тем, что произведены методом автоклавного формования [1].

5

Получение композитных материалов методом автоклавного формования

В качестве исходных материалов в данном методе используют- ся препреги.

Препрегом называют термореактивную формовочную композицию, состоящую из армирующего волокнистого материала (чаще всего ткани, реже – ленты) и связующего, которая требует дальнейшего отверждения и перерабатывается в полимерный ком- позиционный материал различными методами [3].

В случае автоклавного формования препрег или многослойный пакет из препрега на основе армирующих волокон выкладывают на форму, вместе с ней помещают в вакуумный мешок, и снижают в нем давление. Метод, при котором отверждение проводят, создавая градиент давления по отношению к атмосферному, называют фор- мованием с помощью вакуумного мешка. Так как нередко избыточ- ное внешнее давление создают с помощью автоклава, то этот метод также называют автоклавным формованием.

Процесс собственно автоклавного формования состоит из следу- ющих основных этапов:

на форму выкладывают необходимое число слоев препрега; при повышенных давлении и температуре в автоклаве проводят

отверждение;

осуществляют отделку (зачистку) отвержденных изделий. Можно отметить следующие плюсы метода автоклавного формо-

вания:

– Лучшее соотношение волокно/связующее, что благоприятно сказывается на прочности и массе готового изделия.

– Получение наиболее гладкой поверхности.

– Отсутствие воздушных пузырей.

– Лучшее пропитывание материалов.

– Экономия связующего вещества (смолы).

– Основной недостаток – дороговизна метода.

Использование препрегов получило широкое распространение в авиационной промышленности и ракетно-космической технике [4–10], что связано с высокими механическими характеристика- ми готовых изделий. Еще одним преимуществом препрегов явля- ется ускорение технологического процесса производства деталей из ПКМ и повышение культуры труда на участке формования, по- скольку технологии пропитывания связующим ткани (приготовле- ние препрега) и технологии формования разделены на два самостоятельных процесса.

6

При изготовлении препрегов в качестве связующих, наряду с реактопластичными олигомерами, также используются и термо- пластичные полимеры. Наибольшее распространение получила технология GMC, которая используется при производстве листо- вых деталей. Однако термопластичные полимеры из-за своей малой жесткости при повышенных температурах в качестве конструкци- онных материалов при производстве деталей из стекло-, органо- или углепластиков используются ограниченно. Основным недостатком является высокая стоимость препрегов

7