Кратко о методах производства изделий из композитных материалов

04 января 2020

Часть 2. Поскольку статья получилась внушительных размеров, разбили ее на две части. В данной части затрагиваются вопросы методов производства стеклопластиков и углепластиков.

Часть 1: https://solidt.ru/o-kompanii/novosti-i-stati/kratko-o-kompozitnyh-izdelijah-stekloplastik-ugleplastik

Стеклопластик получают путем горячего прессования стекловолокна (здесь имеется ввиду производство стеклопластика методом пултрузии), перемешанного с синтетическими смолами. В стеклопластиках стекловолокно играет роль армирующего материала, придающего изделиям высокую механическую прочность при малой плотности.

В настоящее время существует целый ряд различных смол, используемых в производстве стеклопластиковых изделий. Наибольшее распространение получили полиэфирные, винилэфирные и эпоксидные смолы. В зависимости от метода формования, химсостава и области применения все смолы можно разделить на следующие группы:

По методу формования:

Ручное формование

При этом методе стеклоармирующий материал вручную пропитывается смолой при помощи кисти или валиков. Затем пропитанный стекломат укладывается в форму, где он прикатывается прикаточными валиками. Прикатка осуществляется с целью удаления из ламината воздушных включений и равномерного распределения смолы по всему объему. Отверждение ламината происходит при обычной комнатной температуре, после чего изделие извлекается из формы и подвергается мехобработке (обрезка облоя, высверливание отверстий и т.д.)

Применяемые материалы:

Смолы: Любые, например эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные.
Волокна: Любые.
Наполнители: Любые, стойкие к используемым смолам.

Основные преимущества:

Широко используется в течении многих лет.
Простота процесса.
Недорогие используемые инструменты, если используются смолы, отверждаемые при комнатной температуре.
Широкий выбор поставщиков и материалов.
Более высокое содержание стеклянного наполнителя и более длинные волокна по сравнению с методом напыления рубленного роввинга.

Основные недостатки:

Качество смеси смолы и катализатора, качество ламината, содержание стеклообразующего в ламинате очень зависят от квалификации рабочих.
Высокая вероятность воздушных включений в ламинате.
Малая производительность метода.
Вредные условия труда.

Напыления рубленного ровинга

Стеклонить подается в ножи пистолета, где она рубится на короткие волокна. Затем они в воздухе смешиваются с струей смолы и катализатора и наносятся на форму. После нанесения рубленного роввинга, его необходимо прикатать с целью удаления из ламината воздушных включений. Прикатанный материал оставляют отвердевать при обычных атмосферных условиях.

Применяемые материалы:

Смолы: Прежде всего полиэфирные.
Волокна: Только стеклонить в виде роввинга (ровницы).
Наполнители: Любые, стойкие к стиролу. Укладываются вручную.

Основные преимущества:

Широко используется много лет.
Быстрый путь нанесения волокна и смолы.
Дешевые формы.

Основные недостатки:

Ламинаты имеют тенденцию быть очень богатыми смолой и поэтому чрезмерно тяжелыми.
Присутствуют только короткие волокна, которые ограничивают механические свойства ламината.
Смолы должны быть с низкой вязкостью для возможности их напыления. Это приводит к уменьшению их механических свойств и теплостойкости.
Вредные условия труда, большое содержаний в воздухе мелких частиц стекла.
Качество конечного продукта в основном зависит от мастерства оператора установки.

RTM

Стеклоармирующий материал укладывается на матрицу в виде заранее заготовленных выкроек. Затем укладывается пуансон, который прижимается к матрице при помощи прижимов. Смола подается в полость формы под рассчитанным давлением. ??ногда, для облегчения прохода смолы через материал используется вакуум, который создается внутри формы. Как только смола пропитала весь стекломатериал, инжекцию останавливают и ламинат оставляют в форме до полного отверждения. Отверждение может проходить при обычной или повышенной температурах.

Применяемые материалы:

Смолы: эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные.
Волокна: Любые. Желательно использовать специально предназначенные для этого стекломатериалы с проводящим слоем и механически связанными волокнами.
Наполнители: Любые стойкие к стиролу, кроме материалов в виде сот.

Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.
Возможно сокращение трудовых затрат и времени на изготовление изделия. Один рабочий может обслуживать одновременно несколько аппаратов, производяших инжекцию.
Вся форма изделия имеет глянцевую поверхность.
Минимизированы отходы материалов.

Основные недостатки:

Дорогие и сложные формы.
Сложность процесса.
Необходимость иметь инжекционное оборудование.

Пултрузия

Волокна подаются от катушечной рамы до ванны со смолой и затем проходят через нагретую фильеру. В фильере убираются излишки смолы, происходит профилирование ламината и отверждение материала. После этого отвержденный профиль автоматически обрезается на необходимые длины.

Применяемые материалы

Смолы: Эпоксидная смола, полиэфирная смола, винилэфирная смола.
Волокна: Любые.
Наполнители: Не используются.

Основные преимущества:

Это может быть очень быстрый процесс пропитки и отверждения материала.
Автоматизированное управление содержанием смолы в ламинате.
Недорогие материалы.
Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.
Закрытый процесс пропитки волокна.

Основные недостатки:

Ограниченная номенклатура изделий.
Дорогое оборудование.

Дискретная намотка

Этот процесс прежде всего используется для изготовления пустотелых круглых или овальных секционных компонентов, типа труб или резервуаров. Волокна пропускаются через ванну со смолой, затем через натяжные валики, служащие для натяжения волокна и удаления излишков смолы. Волокна наматываются на сердечник с необходимым сечением, угол намотки контролируется отношением скорости движения тележки к скорости вращения.

Применяемые материалы:

Смолы: Любые.
Волокна: Любые, волокна подаются напрямую от рамы для катушек без дополнительного сшивания в ткань.
Наполнители: Любые.

Основные преимущества:

Это может быть очень быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки материала.
Регулируемое соотношение смола/стекло.
Высокая прочность при малом собственном весе.
Неподверженность коррозии и гниению
Недорогие материалы
Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.

Основные недостатки:

Ограниченная номенклатура изделий.
Дорогое оборудование.
Волокно трудно точно положить по длине сердечника.
Высокие затраты на сердечник для больших изделий.
Рельефная лицевая поверхность.

RFI (Resin Film Infusion)

Сухие ткани выкладываются вместе со слоями полутвердой пленки из смолы. Весь полученный пакет закрывается специальной пленкой. Сначала между пленкой и формой создается вакуум, после чего форму помещают в термошкаф или автоклав. Под воздействием температуры смола переходит в текучее состояние и благодаря вакууму пропитывает материал. После некоторого времени смола полимеризуется.

Применяемые материалы:

Смолы: Только эпоксидная смола.
Волокна: Любые.
Наполнители: Почти все, хотя ПВХ пена нуждается в специальной обработке из-за высоких температур процесса.

Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
Высокие физико-механические характеристики из-за твердого начального состояния полимера и высоких температур отверждения.
Более низкая стоимость процесса по сравнению с методом препрегов.
Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.

Основные недостатки:

Мало применяется вне аэрокосмической промышленности.
Для процесса необходима система вакуумного мешка, термошкаф или автоклав.
Требования к оборудованию и инструменту по температуростойкости.

Препреги

Препрег — предварительно пропитанная смолами стеклоткань.
Ткани и волокна предварительно пропитаны пред-катализированной смолой под высокой температурой и давлением. В таком виде препреги могут хранится до нескольких недель, однако для увеличения срока хранения, их хранят при пониженных температурах. Смола в препрегах находится в полутвердом состоянии. При формовании препреги укладываются на поверхность формы и закрываются вакуумным мешком. Затем происходит их нагревание до температуры примерно 120 — 180 град.C при этой температуре смола переходит в текучие состояние и препрег принимает размеры формы. Далее при дальнейшем повышении температуры происходит отверждение смолы. Дополнительное давление (до 5 атмосфер) для формования обычно обеспечивается автоклавом.

Применяемые материалы:

Смолы: Эпоксидные, полиэфирные, фенольные и высокотемпературные смолы типа полиимидных др.
Волокна: Любые.
Наполнители: Любые стойкие к температурам процесса.

Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
Хорошие условия труда и окружающая среда. Нет большого выброса вредных веществ.
Возможность автоматизировать процесс и снизить трудовые затраты.

Основные недостатки:

Высокая стоимость материалов
Для отверждения необходимы автоклавы, которые ограничивают размеры выпускаемых изделий.

Инжекция

Технология состоит в том, что вакуум сам распределяет смолу по стекломатериалу, далее вакуум сохраняется до кристаллизации смолы.

Предварительно необходимо по периметру матрицы приклеить спираль из пвх, с ее помощью вакуум будет равномерно по всей матрице засасывать смолу.

Далее наносится гелькоут. После укладываются стекломатериалы в нужном количестве, далее укладывается на всю поверхность стекломатериала проводящий смолу слой, сверху на него впитывающий слой, далее из специальной пленки делается либо мешок, в который полностью входит матрица, либо пленка приклеивается по периметру матрицы. В пленке предусматриваются два отверстия, одно под сосок для вакуума, устанавливается впритык к вакуумной магистрали, второе под сосок для подачи смолы. Возможны варианты с большим количеством резервуаров для подачи смолы, все зависит от конфигурации матрицы.

Когда все подготовлено включается насос. При достижении максимального вакуума, открываем магистраль подачи смолы. При заполнении полностью всего стекломатериала подачу смолы прекращают. Так же на вакуумной магистрали желательно предусмотреть резервуар под лишнюю смолу.