При производстве изделий из полимерных композиционных материалов необходимо уделить особое внимание выбору технологии производства. От данного решения зависит не только экономическая составляющая, но и качество конечного изделия.

Специалисты нашей компании помогут Вам с выбором технологии производства, а также подберут необходимые материалы и оборудование.

Позвоните нам, и у Вас не останется сомнений в правильности Вашего решения!

РУЧНОЕ ФОРМОВАНИЕ

Производство изделий методом ручного (контактного) формования является базовым процессом производства изделий из полимерных композиционных материалов. К плюсам данного метода можно отнести простоту технологии и минимальные затраты на подготовку и проведение процесса формования (нет необходимости в закупке дорогостоящего оборудования). Минусом данного метода является низкое качество конечного изделия — высокое содержание смолы, а, как следствие, высокий вес и низкие прочностные характеристики. Данный метод получил широкое распространение в производстве крупногабаритных изделий, к которым не предъявляются высокие требования по физико-механическим свойствам. В основном технология применима к единичным изделиям или мелкосерийному производству.

При данном процессе формования предварительно раскроенный армирующий материал укладывается в форму, обработанную разделительным агентом и покрытую гелькоутом для создания защитного слоя конечного изделия. После этого армирующий материал пропитывается подготовленным эпоксидным составом (смола и отвердитель) вручную — при помощи кисти или валиков. До момента отверждения необходимо уплотнительным валиком «прокатать» всю поверхность изделия. Если этого не сделать, то в конечном изделии возможно наличие пузырьков воздуха, негативно влияющих на его качество. После отверждения происходит съем изделия из формы и дальнейшая механическая обработка.

ВАКУУМНОЕ ФОРМОВАНИЕ

Производство по технологии вакуумного формования обеспечивает более высокое качество конечно изделия по сравнению с классическим ручным методом.Основное отличие от контактного метода состоит в том, что после пропитки армирующего материала эпоксидной системой, на оснастку, при помощи герметизирующего жгута, крепится вакуумный мешок. За счет создаваемого вакуумным насосом разряжения из ламината удаляются пузырьки воздуха и излишки смолы. В остальном процесс идентичен методу ручного формования.К плюсам данного метода можно отнести простоту технологии и минимальные затраты на подготовку и проведение процесса формования (нет необходимости в закупке дорогостоящего оборудования). Более высокое качество конечного изделия, по сравнению с контактным методом.Минусом данной технологии является ограниченное время на создание вакуумного мешка и, как следствие, высокие требования к квалификации персонала.

ВАКУУМНАЯ ИНФУЗИЯ

Технология производства изделий методом вакуумной инфузии получила широкое распространение среди производителей изделий из полимерных композиционных материалов. Основными причинами популяризации данной технологии является низкая стоимость оборудования (в сравнении с автоклавным методом и RTM-технологией), а также высокое качество конечного изделия и возможность формования крупногабаритных изделий при относительно небольших временных затратах.Вакуумная инфузия — закрытый процесс формования.На подготовленную оснастку укладывается предварительно раскроенный армирующий материал. Набор толщины конечного изделия осуществляется сразу, на этапе укладки армирующих тканей, путем выкладки требуемого количества слоев ткани или с использованием сэндвич-структур — пенопласта или сотовых панелей. Вместе с армирующим материалом укладывается набор вспомогательных расходных материалов. Будущее изделие накрывается вакуумной пленкой и крепится к фланцам оснастки при помощи герметизирующего жгута. К вакуумному мешку, через установленный вакуумный порт, подключают вакуумный насос, чтобы убедиться в правильной сборке пакета и отсутствии утечек воздуха. Обнаруженные утечки необходимо устранить на данном этапе, так как после подачи смолы процесс будет необратим.Благодаря созданному разряжению, предварительно дегазированная смола, по вакуумной трубке поступает в вакуумный мешок. При использовании проводящей сетки смола наиболее быстро и равномерно пропитывает слои армирующего материала. После пропитки всех слоев линию подачи смолы перекрывают, при этом вакуум оставляют включенным. Таким образом, исключается наличие воздушных включений в конечном изделии. В зависимости от типа эпоксидной смолы и требуемого конструктива, изделие может быть дополнительно отверждено в печи или в автоклаве. В линейке материалов для вакуумной инфузии, поставляемых нашей компанией, присутствуют высокотемпературные расходные материалы для процессов постотверждения.При использовании данной технологии обеспечивается высокий конструктив конечного изделия за счет качественного соотношения смолы и армирующего материала. Воздушные включения и излишки удаляются из армирующего материала путем постоянно поддерживаемого вакуума. Процесс полностью обратим до момента подачи смолы. Таким образом, нет ограничений по времени при сборке вакуумного мешка.

ИНЖЕКТИРОВАНИЕ В ФОРМУ (RTM-процесс)

RTM-процесс (Resin Transfer Molding) — процесс подачи (инжекции) смолы в закрытую форму. Классический RTM подразумевает использование алюминиевых матрицы (нижняя часть) и пуансона (ответная часть). При производстве по RTM-технологии обеспечивается глянцевая поверхность с обеих сторон.Предварительно раскроенный сухой армирующий материал укладывается в подготовленную форму. Закрытие формы фиксируется либо крепежными болтами, либо смыкание формы происходит в прессе. В последнем варианте целесообразно использование пресса с плитами нагрева, для равномерного прогрева связующего в процессе инжектирования смолы. Для подачи смолы используется специальное инжекционное оборудование, обеспечивающее качественное смешение компонентов, подогрев подающих магистралей и необходимое давление смолы на выходе. После раскрытия формы изделие отправляют на участок механической обработки.Преимуществом данной технологии является возможность производства изделий различной геометрической формы за одну инжекцию, что позволяет исключить необходимость склеивания высоконагруженных элементов, и, как следствие, повысить физико-механические свойства изделия. Данная технология применима при среднесерийном производстве высоконагруженных конструктивных элементов.

АВТОКЛАВНОЕ ФОРМОВАНИЕ

Процесс производства деталей автоклавным методом проходит при высоком давлении и температуре, что позволяет получить изделия высокой прочности. Основное развитие автоклавная технология получила благодаря использованию конструкций из углепластика в аэрокосмическом секторе и авиастроении, за счет низкого веса и высоких физико-механических свойств конечных изделий.Предварительно раскроенный препрег или многослойный пакет из препрега на основе углеродных волокон укладывают в форму, к которой при помощи термостойкого герметизирующего жгута крепят в вакуумный мешок. За счет использования вакуумного насоса в вакуумном мешке создается разряжение и удаление воздушных включений из ламината. Далее, изделие на специальной тележке, перемещающейся по рельсам, загружается в автоклав. Не отключая вакуум, в автоклаве создают избыточное давление и нагрев до температуры отверждения препрега. Использование вакуумного насоса позволяет свести пористость ламината к минимуму, что гарантирует высокое качество конечного изделия.Использование автоклавной технологии позволяет производить крупногабаритные изделия, к которым применяются самые высокие требования по качеству. Данный метод малопригоден для крупносерийного производства и находит большее применение в производстве небольших партий высококачественных изделий. Минусом автоклавного метода является высокая стоимость самого автоклава, а также наличие ручного труда, что требует высокой квалификации персонала.

ФИЛАМЕНТНАЯ НАМОТКА

Технология филаментной намотки заключается в нанесении волокон, пропитанных в ванне со смолой, или намотке препрега на вращающуюся оправку, в точном соответствии заданным требованиям. За правильность намотки волокон отвечает специальное программное обеспечение, при помощи которого создается рабочий цикл.В специальный стеллаж (шпулярник) устанавливаются бобины с ровингом, в соответствии с требованиями к ширине наматываемой ленты. Волокна формируются в ленту и попадают в ванну со смолой, где пропитываются эпоксидным связующим (или любой другой системой смол). На выходе из пропиточной ванны излишки смолы снимаются с пропитанного материала и попадают обратно в ванну. Количество связующего в волокнах, а также натяжение нитей регулируется с высокой точностью, в соответствии с техническими требованиями Заказчика. Пропитанные волока наматываются на вращающуюся оправку под разными углами. Затем происходит набор толщины создаваемого изделия. Возможность полного контроля процесса намотки и задания большого количества параметров гарантирует высокое качество конечного изделия.При помощи технологии филаментной намотки создаются тела вращения различной формы: цилиндрической, конической, оживальной. На станках намотки возможно производство баллонов, емкостей и цистерн для воды и сжиженного газа; производство трубопроводов; изготовление деталей для аэрокосмического и авиационного сектора. При использовании данной технологии для производства баллонов высокого давления используют многошпиндельные версии станков для обеспечения крупносерийного производства.

ПУЛТРУЗИЯ

Пултрузия — процесс, который используется для производства непрерывного армированного композиционного материала с постоянным поперечным сечением.
Стандартно, в качестве армирующего материала используется стеклоровинг (стекломат, стекловуаль), а в качестве связующего — полиэфирная смола. Выбор данных материалов обусловлен их невысокой стоимостью, что имеет принципиальное значение при непрерывном производстве профилей (стержней, труб, пластин, уголков, коробов и т.д.).
Непрерывный стеклоровинг (мат, нить, ткань или вуаль) разматываются со шпулярника и помещаются в ванну со смолой. Конструкция ванны обеспечивает тщательную пропитку армирующего материала. Смола может содержать наполнители или добавки, в зависимости от требований к конечному изделию. Пропитанный армирующий материал проходит через специальные валки на выходе из ванны, для удаления излишков смолы. Далее материал проходит через нагреваемую формообразующую фильеру для получения требуемой геометрии изделия. В фильере происходит полимеризация профиля, благодаря нагреву, осуществляемого электрическими ТЭНами. Тянущее устройство (захваты) обеспечивает непрерывное вытягивание профиля из фильеры. Полученное изделие разрезают с помощью пилы (резака), установленной в конце пултрузионной линии. Скорость процесса, усилие тянущих устройств, нагрев фильеры, а так же длина отрезаемого изделия регулируются и задаются с помощью системы управления.

Пултрузия — высокосерийное производство различных профилей постоянного поперечного сечения. Преимуществами данной технологии являются высокая скорость и непрерывность производства, низкая стоимость связующих, высокая коррозионная стойкость и низкий вес (по сравнению с металлами), низкий тепловой коэффициент линейного расширения и хорошие электроизоляционные свойства. К минусам данной технологии можно отнести высокую стоимость фильеры и, соответственно, высокую себестоимость конечного продукта при небольшой серии, а так же ограниченность производства — для производства изделия другой геометрии или размеров необходима новая фильера.

Компания «Современные полимерные технологии» предлагает полный спектр материалов и оборудования для реализации данных технологий на Вашем производстве.

Путем различных комбинаций связующих и наполнителей получают ПКМ с необходимыми физико-механическими и физическими характеристи­ками для эксплуатации в различных условиях. Процессы производстваПКМ и изделий из них часто совмещены. Это позволяет существенно сни­зить общую стоимость изделий и, несмотря на сравнительно большую тру­доемкость, сделать их экономически конкурентоспособными с обычными промышленными товарами.

Намотка. На стальную оправку (дорн), повторяющую форму изделия и являю­щуюся основной рабочей частью намоточного агрегата, наматывается с натяжением армирующий волокнистый наполнитель (волокно, нити, жгуты, ровницы, ленты, ткани) мокрым (наполнитель пропитывается в процессе намотки) или сухим (используются препреги) способом. Наматывается также непрочитанный наполнитель, после чего заготовку пропитывают связующим в замкнутой форме под давлением. По кинематическому при­знаку различают токарную, шлифовальную и обмоточную схемы намотки, по типу укладки армировки в намотанном изделии - окружную, спиральную, поперечную, продольную, планарную и различные их сочетания. Намотанная заготовка формуется с помощью компрессионного прессования, вакуумного пресс-камерного или вакуумно-автоклавного метода.

Параметры процесса (натяжение, шаг намотки, угол намотки, скорость намотки) определяются типом ПКМ, конфигурацией и габаритными размерами изделия.

Оборудование: специальные намоточные агрегаты на основе модерни­зированных токарных и шлифовальных станков.

Применяется для изготовления изделий, имеющих форму тел враще­ния: цилиндров, конусов, сфер, труб, оболочек различных форм.

Прессование заключается в пластической деформации материала при одновременном воздействии на него тепла и давления и в последующей фиксации формы изделия. Проводится, как правило, в прессформах.Прессформы устанавливаются на прессах, назначение которых - создание не­обходимого давления прессования. Помещенный в пресс-форму холодный или предварительно подогретый материал разогревается до температуры прессования и, подвергаясь под давлением прессования деформации од­номерного течения, заполняет полость пресс-формы и одновременно уп­лотняется. Фиксация формы изделия происходит в результате отверждения реактопластов или охлаждения термопластов, либо охлаждения под дав­лением до температуры ниже температуры стеклования полимера (для тер­мопластов).

Параметры процесса: начальная температура ПКМ и пресс-формы, удельное давление и скорость его приложения, время выдержки в пресс-форме, температура извлечения изделия из пресс-формы, давление прессо­вания 0,01-250 МПа. При переработке реактопластов решающее влияние на режим оказывает скорость отверждения, а при прессовании термоплас­тов - скорость охлаждения сформованного изделия.

Оборудование: прессы.

Применяется для получения изделий сложной формы, разнообразных размеров и толщин из ПКМ с порошкообразными, волокнистыми, листовыми волокнистыми наполнителями на основе термопластичных и реактивных связующих.

Метод прессования имеет разновидности: прямое прессование (горячее

или компрессионное), литьевое прессование (трансферное), профиль, прессование (штранг-прессование).

Прямое прессование. Пресс-материал в виде порошка, таблеток лиь^ заготовок из листовых или волокнистых полуфабрикатов загружают в открытую полость пресс-формы или между обогреваемыми плитами пресса и подвергают воздействию тепла и давления.

Параметры процесса определяются типом ПКМ, конфигурацией и га­баритными размерами изделия.

Оборудование: прессы.

Применяется для переработки термореактивных и термопластичных ПКМ, изготовления толстых листов, блоков, толстостенных изделий сложной формы и переменного сечения; заготовок простой формы, под­вергающихся дальнейшей механической обработке; изделий из ПКМ, со­держащих большое количество абразивных частиц.

Литьевое прессование. Предварительно размягченный (пластицирован-ный) материал впрыскивается перемещающимся в осевом направлении поршнем из загрузочной камеры через литниковые каналы в предварительно замкнутую пресс-форму.

Параметры процесса: удельное давление впрыска 150-200 МПа, дав­ление в пресс-форме 50-65 МПа.

Оборудование: специальные трансферные гидравлические прессы с двумя (верхним и нижним) рабочими плунжерами или универсальные прессы с одним верхним плунжером.

Применяется главным образом для переработки ПКМ на основе быстроотверждающихся реактопластов и высоковязких термопластов.

Профильное прессование. Пресс-материал продавливается через про­фильную фильеру с открытыми входными и выходными отверстиями или специальную головку. В процессе продавливания происходит формование и получение данного профиля, а в случае термореактивных материалов - их отверждение. Процесс с периодически повторяющимся циклом, обеспе­чивающий непрерывное производство профилей благодаря тому, что за один цикл выдавливается не вся порция ПКМ и оставшийся подогретый ПКМ сваривается с вновь поступившей порцией. Метод занимает проме­жуточное положение между прессованием и экструзией.

Параметры процесса: давление прессования 250-400 МПа для ре­актопластов и 40-50 МПа для термопластов.

Оборудование: специальные горизонтальные прессы, поршень которых медленно совершает рабочий ход и быстро возвращается в исходное по­ложение, пресс-форма со сменной матрицей.

Применяется (наряду с экструзией) для получения труб, стержней и других профильных изделий большой длины.

Автоклавный метод. Заготовка ПКМ, герметично упакованная в ре­зиновый чехол, помещается в автоклав. Давление прессования создается паром, горячей водой, глицерином или сжатым воздухом, нагнетаемым в автоклав. Обогрев осуществляется паром, горячей водой, жидкостью или обогревателями, расположенными в форме.

Параметры процесса: давление формования 0,5-7 МПа; температур­ный режим определяется типом ПКМ. Заготовка формуется при всесторон­нем равномерном давлении. Оборудование: автоклав.

Применяется для изготовления больших серий крупных и сложных, изделий с высокими физико-механическими показателями

Пневматическое формование.Этот метод имеет две разновидности: негативное формование, когда сжатый воздух выполняет роль пуансона, и позитивное формование, когда сжатый воздух выполняет роль матрицы. В предварительно нагретую форму быстро переносится разогретая заготовка, которая герметично за­жимается по периметру формы. Затем производится формование под действием сжатого воздуха, нагнетаемого в пневмокамеру, после чего изделие охлаждается и извлекается из формы.

Параметры: давление сжатого воздуха до 2,0 МПа, температура зави­сит от свойств формуемого материала.

Оборудование: гидропресс, матрица (или пуансон), системы обогрева и подачи сжатого воздуха.

Применяется для изготовления пустотелых изделий, используемых в приборостроении, химической, станкостроительной и других отраслях промышленности

Контактное формованиеСлои препрега или волокнистого наполнителя послойно выкладывают­ся (наматываются) на форму с одновременной пропиткой его связующим (чаще всего холодного отверждения) и уплотнением прикаточным роли­ком или кистью, которой наносится связующее. Затем они отверждаются без давления или опрессовываются контрматрицей под давлением 0,01- 0,2 МПа. Снятые с формы изделия подвергаются механической обработке. Метод обеспечивает чистоту и точные размеры изделия, которое непосред­ственно контактирует с формой в процессе прессования.

Параметры процесса (температура, давление, их изменение во времени, продолжительность формования и выдержки) зависят от свойств свя­зующего и наполнителя, конфигурации и размеров формуемого изделия.

Оборудование: метод прост, не требует специального оборудования - используется одна (негативная или позитивная) форма.

Применяется для изготовления крупногабаритных изделий при мел­косерийном производстве: корпусов лодок, небольших катеров, кузовов автобусов, фургонов и др.

Автоклавное формование - метод получения многослойных изделий из препрегов.

Препрег или многослойный пакет из препрега 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 формованием с помощью вакуумного мешка. Так как нередко избыточное внешнее давление создают с помощью автоклава, то этот метод также называют автоклавным формованием . Первоначально он использовался для склеивания деталей самолетов.

Процесс автоклавного формования состоит из следующих основных этапов:

Этап 1. На форму накладывают необходимое число слоев препрега;

Этап 2. При повышенных давлении и температуре в автоклаве проводят отверждение;

Этап 3. Осуществляют отделку (зачистку) отвержденных изделий.

Чаще всего при отверждении в автоклаве используют и вакуумный мешок. Рассмотренный метод формования является периодическим; на свойства изделий решающее влияние оказывают технология выкладки препрега на форму, тип и свойства вакуумного мешка и т. д.

Можно отметить следующие характерные особенности метода автоклавного формования :

Возможность получения изделий равномерной толщины;

Возможность формования крупногабаритных изделий;

Высокое качество поверхности изделий;

При использовании вакуумного мешка получаются высококачественные изделия с низкой пористостью.

Недостаток метода автоклавного формования заключается в том, что он довольно дорог, требует затрат ручного труда и поэтому малопригоден для массового производства изделий. Тем не менее он весьма эффективен для изготовления изделий из таких высококачественных и легких материалов, как стеклопластики. Перспектива снижения стоимости процесса (соответственно и изделий) связана с механизацией и автоматизацией ряда операций, сокращением благодаря этому трудовых затрат и подбором лучших материалов для вакуумных мешков. Исследуется возможность применения для этого метода термостойких и долговечных мешков из силиконового каучука, которые можно использовать многократно. В частности, важно выбирать температуру и давление с учетом характеристик процесса отверждения, так как эти параметры оказывают значительное влияние на свойства формуемого изделия.

Надо отметить пожароопасность использования вакуумных мешков в методе автоклавного формования . Некоторые примеры возгорания и взрывов при использовании этого метода приведены в работе. Поэтому необходимо применять инертную газовую среду (например, азот) и принимать другие меры безопасности при автоклавном формовании .

Технологии

Автоклавное формование препрега

Автоклавное формование применяется для получения максимальных значений прочности и жёсткости. Волокнистый материал (препрег и др.) предварительно пропитывается при нагреве и под давлением или без растворителя с применением предускоренной смолы. Катализатор не активен при температуре окружающей среды, поэтому срок жизни материала после размораживания может составлять несколько недель или месяцев. Однако при длительном хранении материал должен быть заморожен. Препрег выкладывается на поверхность оснастки вручную или с помощью специального оборудования. Затем заготовку изделия на оснастке помещают в герметичный вакуумный мешок, размещают в автоклаве, подключают к вакуумной линии и датчику уровня вакуума. Препрег нагревается в автоклаве до 120-180°С, что способствует размягчению и окончательному отверждению смолы. В автоклаве может создаваться дополнительное давление до 5 атмосфер.

Применяемые материалы:

• Смолы: обычно эпоксидные, полиэфирные, фенольные или высокотемпературные (например, полиимидные, цианат эфирные, бисмалиимиды).
• Волокна: любые. Используются либо напрямую с бобины, либо в виде ткани.
• Срединный материал: используется специальный тип вспененных материалов из-за повышенной температуры и давления, применяемых в данном процессе.

Основные преимущества:

• Точно контролируется уровень смолы / катализатора и содержание смолы в волокне. Можно легко получить высокое содержание волокна при малом количестве воздушных пустот.
• Стоимость волокна минимизируется при использовании однонаправленных лент, так как нет необходимости переделывать волокна в ткань перед применением.
• Смола может быть оптимизирована по механическим тепловым свойствам. Можно использовать смолы с высокой вязкостью.
• Длительное рабочее время (до нескольких месяцев при комнатной температуре) позволяет получить оптимизированную сложную выкладку.
• Автоматизация и экономия трудозатрат.
• Любые детали, изготовленные в автоклаве, имеют более высокое качество поверхности, меньшую пористость и механические свойства, более равноценные по всему объёму изделия.

Основные недостатки:

• Стоимость материалов для предварительно пропитанных волокон выше, для данных применений обычно требуются дорогостоящие улучшенные смолы.
• Высокая стоимость и низкая производительность автоклава. Процесс нагрева и охлаждения медленный. Рабочее пространство автоклава ограничено, поэтому за одно формование обычно изготавливают небольшое количество изделий, что значительно увеличивает себестоимость изделия.
• Оснастка должна выдерживать рабочую температуру, а срединные материалы - рабочую температуру и давление.
• Для более толстых ламинатов слои препрега необходимо выкладывать аккуратно, чтобы не создавать воздух между ними.

Сферы применения:

Авиационные конструкционные компоненты (секции закрылок и хвоста), гоночные машины F1.