Композитные технологии. Технологии производства композитных материалов. Восстановление диагонального колеса насоса

25.11.2019

Технология композитов – раздел технологии материалов

Но слово «наука» рядом со словом «технология» появилось сравнительно недавно. Технология обычно определяется как совокупность способов. Если речь идет о технологии материалов , то это совокупность способов получения и переработки материалов.

Волокна как состовляющие материала. Еще несколько десятков лет назад с таким определением можно было согласиться. А сегодня оно, несомненно, требует уточнения. Сегодня технология материалов - не только совокупность способов, но и наука о получении и обработке материалов, имеющая свою теоретическую базу (теория металлургических процессов, теория обработки давлением, теория термообработки и др.), свои методы исследования, свои принципы. И создание новых материалов немыслимо без использования ее достижений. Но помня об этом, не следует забывать о первой части слова. Все-таки технология - это еще и мастерство. А мастерство - сродни искусству. Чтобы стать хорошим технологом, нужно кроме знаний иметь и смекалку, и изобретательность. И нужен еще талант. Впрочем, эти качества не лишние в любом деле. В создании материалов принимают участие люди различных специальностей. Материаловеды-теоретики - это физики, химики, механики, изучающие общие закономерности поведения материалов. Материаловеды-технологи - специалисты, использующие эти закономерности для создания новых материалов и разработки методов их получения. Они являются связующим звеном между теорией и практикой. А есть еще технологи-производственники, которые трудятся непосредственно на заводах и занимаются разработкой процессов получения изделий в промышленных условиях. Мы поговорим о работе материаловедов-технологов.

Технология композитов - задача для специалиста

Возьмем для примера специалиста по технологии композитов . Какие задачи приходится ему решать? Вот одна из них. Даны: борные волокна, намотанные на бобины; алюминий (в любом виде - листы, проволока, порошок, расплав) можно выбрать по своему усмотрению. Требуется: соединить волокна и алюминиевую матрицу друг с другом, получив при этом высокопрочный бороалюминиевый. Технолог должен решить, как это сделать. Чтобы разговор был более конкретным, давайте обсудим, как получить такой композит в виде листа, в котором все волокна распределены равномерно по сечению и уложены параллельно друг другу. Решить поставленную задачу - это значит дать ответы ни три основных вопроса:

Как обеспечить укладку волокон в заданном направлении?
Как ввести волокна в матрицу, чтобы получить лист с требуемой структурой и свойствами?
Как предотвратить разупрочнение и разрушение волокон в процессе изготовления материала, обеспечив в то же время прочную связь их с матрицей?

Вопрос «как?» постоянно преследует технологов. И всегда рядом с ним появляется постоянный спутник - «почему?». Ответить на вопрос «почему?» - значит, найти причину, вызывающую то или иное явление. А ответ на вопрос «как?» должен указывать способы решения поставленной задачи. Каждый специалист, занимающийся наукой, вынужден все время искать ответы на эти вопросы, и никаких надежд избавиться от них у него нет. Только ответишь на один, появляется другой, а он в свою очередь рождает лавину новых «почему?» и «как?». И если они перестают волновать - он перестает быть ученым. Но все-таки для технолога главное - отвечать именно на вопрос «как?». В этом его работа. Сформулированы три главных вопроса, которые нуждается в рассмотрении при решении задачи по технологии . Попробуем дать на них ответы.

Как сориентировать волокна в композите

Начнем по порядку. Как сориентировать волокна в композите ? Если бы они были достаточно толстыми, как стальные прутья, которыми армируют , особых проблем не возникало бы. Можно по одному уложить в специально подготовленные гнезда.

Волокна как основа композитов. Но предстоит иметь дело с тонкими волокнами диаметром порядка 100 мкм. В листе толщиной 5 мм и шириной 500 мм их будет более 100 тысяч, укладывать вручную каждое волоконце на заранее предусмотренное для него место - задача явно нереальная. Это может выполнить машина. Следует учитывать, что волокна не должны касаться друг друга, их нужно располагать на определенном расстоянии одно от другого, чтобы обеспечить необходимую концентрацию в матрице. Здесь можно предложить несколько вариантов, но, наверное, один из лучших - тот, который сегодня широко применяется на практике - метод намотки . Берут цилиндрический барабан, длина окружности которого равна длине будущего листа, устанавливают на токарный станок и наматывают на него с заданным расстоянием волокна. Идея заключается в том, чтобы потом разрезать все волокна вдоль образующей цилиндра и развернуть их в плоскость, получив один слой параллельных волокон. Длина этого слоя равна длине окружности барабана. А чтобы сохранить взаимное расположение волокон в слое, нужно до разрезки каким-то образом скрепить их друг с другом. Можно, например, промазать клеем и разрезать по образующей после того, как он высохнет. При этом клей подобрать такой, чтобы при необходимости его легко можно было удалить, скажем, выжечь, нагревая.

Как ввести волокна в матрицу

Но лучше поступить по-другому. В качестве скрепляющего средства использовать сам матричный материал. Тогда можно выполнить сразу две задачи, чтобы выдержать правильно технологию композита: зафиксировать волокна в требуемом положении и одновременно ввести их в матрицу , то есть ответить на второй основной вопрос нашей задачи. Мысль неплохая. Но опять возникает все то же неотвязное - как? Как это сделать? Без знаний физики и химии здесь не обойдешься.

Электрохимический метод

Можно использовать электрохимический метод , нанося на барабан с намотанными на него волокнами гальваническое покрытие из матричного металла. Это не очень сложно принципиально, но:

требует много времени,
не все металлы можно так наносить,
трудно обеспечить нужный состав матрицы, если речь идет о сложных сплавах.

Но для некоторых композитов, например, с матрицами из меди или никеля, метод вполне приемлем. Хотя лучше бы все-таки найти что-то более универсальное. Можно придумать другой способ. Просто окунуть барабан с намотанными волокнами в расплавленный алюминий и, вынув, быстро охладить до кристаллизации. Вроде бы просто, но эта простота обманчива. Жидкий металл будет стекать, и поэтому равномерно покрыть матрицей весь монослой не удастся. Кроме того, в ряде случаев расплавленный металл может активно взаимодействовать с самим барабаном, разъедая его поверхность и поверхность волокон, а это крайне нежелательно, так как барабан потеряет свои размеры, а волокна разупрочнятся и станут хрупкими.

Плазменное напыление покрытий

А вот наиболее подходящий вариант. Использовать плазменное напыление покрытий . При этом способе матричный материал расплавляется потоком низкотемпературной плазмы (ионизированного газа со средней температурой около 10 000 К), этим же потоком он распыляется и переносится на поверхность барабана, покрывая волокна и заполняя промежутки между ними. Плазменный поток получают с помощью специального устройства - плазмотрона, в котором рабочий Газ (азот, аргон, водород, гелий и др.) ионизируется под действием дугового разряда. Хотя образующаяся в обычных плазмотронах плазма называется низкотемпературной, этой «низкой» температуры (10 000 К) вполне достаточно, чтобы расплавить любой из существующих в природе материалов. Капельки расплавленного металла долетают до холодного барабана и, отдавая ему тепло, кристаллизуются, образуя равномерное покрытие на барабане, если тот равномерно вращать. Подлежащий распылению материал (в нашем случае - алюминий) обычно вводят в плазменную струю в виде порошка или проволоки. Внешне процесс нанесения плазменных покрытий напоминает окрашивание с помощью краскопульта. Только вместо краскопульта - плазмотрон, а вместо краски - матричный сплав. В принципе не обязательно для этой цели использовать плазму, можно обойтись газовой горелкой или другим устройством, но плазменное напыление весьма удобно и его широко применяют при создании композитов. Полученный после напыления армированный монослой разрезается по одной из образующих цилиндра и разворачивается в плоскость. Прочность покрытия достаточна, чтобы не давать волокнам сместиться относительно друг друга, но недостаточна, чтобы обеспечить высокую прочность композита. Толщина получаемых монослоев составляет обычно полтора-два диаметра волокон, то есть около 200 мкм, а нам, напомню, нужен лист толщиной 5 мм. Как быть? Опять «как?».

Прокатка монослоев

На этот раз ответ искать долго не приходится: нужно сделать слоеный пирог из полученных монослоев, то есть собрать их в пакет нужной толщины и каким-то образом уплотнить, соединив неразъемно друг с другом. Это можно сделать, например, прокаткой монослоев или горячим прессованием. В первом случае пакет нагревают в печи и пропускают между вращающимися валками. Во время прокатки происходит соединение монослоев в монолитный материал и уплотнение матричного материала в каждом монослое, что приводит к повышению прочности матрицы и прочности ее связи с волокнами.

Горячее прессование монослоев

Иногда более целесообразно уплотнять пакеты из монослоев не прокаткой, а горячим прессованием . Для этого их укладывают в пресс-форму, длина и ширина рабочей плоскости которой соответствует размерам монослоев, и сверху прижимают пуансоном. Пресс-форма обогревается, чтобы можно было обеспечить требуемую температуру процесса. Нагретый пакет уплотняется, отсюда и название - горячее прессование. Для того, чтобы между монослоями возникла прочная связь и чтобы все частички напыленного матричного металла сварились друг с другом, образовав монолит, нужно дать выдержку под давлением, позволив тем самым сделать свое дело диффузионным процессам. Именно эти процессы вместе с давлением обеспечивают высокие механические свойства нашего слоеного пирога. Вот почему такой способ получения композитов иногда называют диффузионной сваркой.

Технология композитов в виде прутка или сложного профиля

Применительно к поставленной задаче мы ответили на второй вопрос - как ввести волокна в матрицу. А как быть, если нужно получить композит в виде прутка или сложного профиля? Очередное «как». Можно снова прибегнуть к прокатке пакетов из монослоев , только не в гладких валках, а в калиброванных, то есть имеющих специальные вырезы, которые соответствуют требуемой конфигурации. А можно применить так называемые жидкофазные методы , когда матрица в процессе получения композита находится в жидком состоянии. Волокна, сматываясь с катушек (число катушек равно числу волокон в композите), проходят, не касаясь друг друга, через ванну с расплавленным матричным металлом, смачиваются им и поступают в фильеру, которая формирует пруток нужного сечения. После этого пруток охлаждается, металл матрицы затвердевает, образуя с волокнами композиционный материал. Таким способом можно получать прутки самых разнообразных профилей. Изделия сложного профиля, например лопатки турбин, удобно получать методом пропитки. В литейную форму, рабочая полость которой соответствует форме лопатки, укладывают волокна (как это сделать - отдельный вопрос, который мы рассматривать сейчас не будем, но сделать это можно, хотя и не просто), а затем в форму заливают жидкий матричный металл. Промежутки между волокнами обычно небольшие, и расплавленному металлу заполнить их трудно, а заполнить нужно, причем как можно быстрее, чтобы волокна не успели раствориться в матрице. Поэтому в большинстве случаев пропитку осуществляют под давлением. Литейную форму вакуумируют, а жидкий металл поступает в нее под атмосферным давлением. Как правило, перепада давлений в одну атмосферу достаточно для быстрой и надежной пропитки. Но это только в случае, когда волокна смачиваются расплавленным матричным металлом. Если этого не происходит, нужно принимать меры. Например, углеродные волокна не смачиваются жидким алюминием, поэтому получить угле-алюминий, просто пропитывая графитовые нити алюминием, не удается. Но если предварительно покрыть эти нити тончайшим слоем хрома или никеля (достаточно нанести покрытие толщиной один микрометр), которые хорошо смачиваются алюминием, пропитка будет обеспечена и композит получить можно. Основное занятие технолога - отвечать на вопрос «как?». Как сделать? Правильные ответы на этот вопрос можно дать, если известны ответы на вопрос «почему?». Если представить себе автомеханика, который умеет закручивать болты и гайки, но не знает устройства автомобиля. Грош ему цена. Так же и технолог, не понимающий физики процессов, происходящих при получении материала,- неполноценный специалист. Например, технолог знает, что во многих случаях после нагрева композит разупрочняется. Сразу возникает задача - как с этим бороться? Этот вопрос аналогичен третьему «как?», поставленному в начале беседы. А чтобы решить эту задачу, нужно знать, почему происходит разупрочнение композита. Ответ на эти вопросы и дает технология композита.

Роботизированный комплекс для механической обработки изделий из композитных материалов предназначен для механизации и автоматизации одних из самых трудоемких операций в технилогическом цикле:

Обрезка и удаления технологического облоя
Фрезерования пазов, выемок и позиционеров под закладные элементы
Сверление и фрезерование сквозных отверстий сложной формы
Фрезерование сквозных отверстий больших размеров (оконные проемы, люки и другое)

Роботизированный комплекс позволяет обеспечить следующие примемущества:

Увеличение скорости обработки по сравнению с ручным способом
Высокая повторяемость и качество обработки
Фрезерование с высоким качеством кромки «за один проход»
Улучшение условий труда
Создание дополнительных наукоемких рабочих мест

При контактном методе формования стекломатериал вручную пропитывается смолой с помощью кисти или валика. Пропитка может осуществляться одновременно с прикаткой в форме, либо отдельно. Прикатка осуществляется для удаления из ламината воздуха и равномерного распределния связующего.

Композитные материалы представляют собой материалы, созданы из нескольких компонентов. Преимущественно они производятся из пластичной основы, армирующего наполнителя, а также некоторых других веществ. Вследствие этого композит отличается высокой прочностью, жесткостью и многими другими полезными свойствами.

Полимерные композитные технологии – это методы создания материалов, матрицей которых служит полимер. Они имеют огромное количество типов и видов, что обеспечило их распространенность и популярность. Существуют следующие разновидности керамических полимеров:

Стеклопластики;
углепластики;
боропластики;
органопластики;
полимеры, наполненные порошками;
текстоплиты.

Композитные керамические материалы используются в самых разнообразных сферах, среди которых можно выделить такие:

Строительство;
электротехника;
химическая промышленность;
дорожное строительство;
телекоммуникации;
авиационная отрасль и т.д.

Распространенность и популярность композитных технологий связана с множеством преимуществ данного метода изготовления материалов. Стоит обратить внимание на следующие положительные качества:

Улучшенные физико-химические свойства;
довольно низкий удельный вес;
стойкость к коррозийным явлениям, гниению или короблению;
низкая токсичность при горении;
негорючесть или затрудненная горючесть;
уникальная химическая стойкость;
низкий коэффициент линейного расширения вследствие действия теплоты;
достаточно широкий диапазон температур функциональности;
высокие электроизоляционные свойства;
повышенная экологическая чистота.

В XXI столетии композитные материалы на основе керамических полимеров стали одними из довольно популярных веществ, с помощью которых решают различные технологические задачи в самых разнообразных сферах, как строительства, так и инженерии или других видов отраслей. Добиться этого удалось при помощи множества преимуществ, которые выгодно отличают композиты среди остальных типов материалов популярных до этого времени.

Восстановление диагонального колеса насоса

Композитные материалы могут применяться и для восстановления диагонального колеса насоса. С подобной просьбой по ремонту устройства для перекачки сточных вод под названием KSB Sewatec в компанию Ceramet обратилось предприятие МП «Ангарский Водоканал».

За три года эксплуатации производительность насоса упала до 70%, начиная с первого дня его работы. В качестве ремонта было произведено восстановление металла, нанесение композитного материала, а также динамическая балансировка. Таким образом, вследствие использования композитных технологий, удалось продлить срок эксплуатации насоса и достичь экономии средств в 4,5 раза.

Особенности материала Ceramet

Композитные керамические материалы Ceramet предназначены для защиты оборудования, продлевая его срок эксплуатации и увеличивая рабочий ресурс. Это существенно сокращает время простоя и необходимость закупки дополнительных запчастей.

Особенностями материала Ceramet является его довольно обширный спектр применения, который включает в себя:

Ремонт насосного оборудования;
возобновление шнеков;
улучшение функциональности теплообменников;
ремонт трубопроводов, желобов и т.д.

Таким образом, композитный материал Ceramet можно использовать для множества различных целей, что является более выгодным, нежели применение других способов возобновления оборудования.

В статье представлено современное состояние технологий производства изделий из композиционных материалов, включая сведения о применяемых технологиях, программном обеспечении, оборудовании для создания матриц, оборудовании для создания композиционных изделий, оборудование контроля геометрии изделия и неразрушающего контроля.

композиционные материалы

программное обеспечение

оборудование для создания матрицы

1. Современные композиционные материалы / под ред. П. Крока и Л. Броумана; пер. с англ. – М., 1978.

2. Конструкция и прочность корпусов судов и кораблей из стеклопластика. Иностранное судостроение в 1965 – 1973 гг. // Судостроение, 1973.

3. Фролов С.Е. Методы создания новых макронеоднородных композиционных материалов и технологические решения при изготовлении из них корпусных конструкций // Судостроение № 3 2003, с. 55-59.

4. CAE – технологии в 2012 году: обзор достижений и анализ рынка. – CAD/CAM/CAE Observer #4 (80) / 2013.

5. Интервью В.А. Середка и А.Ю. Софронова журналу CAD/CAM/CAE Observer #2 (78) / 2013.

6. Умные технологии для авиастроения. Повышение конкурентоспособности отечественных авиастроительных предприятий на примере совместных проектов компании «Солвер» и ОАО «ВАСО» // САПР и графика, № 1. 2011. С. 56-62.

7. Лукьянов Н.П. Опыт применения композиционных материалов для постройки кораблей ПМО // Судостроение. № 3. 2007. С. 19-26.

Композиционный материал представляет собой материал, структура которого состоит из нескольких компонентов различных по своим физико-механическим свойствам: металлические или неметаллические матрицы с заданным распределением в них упрочнителей, их сочетание придает композиционному материалу новые свойства. По характеру структуры композиционные материалы подразделяются на волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами, дисперстноупрочненнные материалы, полученные путем введения в матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов .

Сегодня композиционные материалы особенно востребованы в различных отраслях промышленности. Первые суда из стеклопластика были изготовлены во второй половине 30-х годов двадцатого века. С 50-х годов стеклопластиковое судостроение получило широкое распространение в мире, было построено значительное число яхт, рабочих и спасательных катеров и рыболовецких судов, десантно-высадочных судов и др. . Одним из первых применений в авиации композиционных материалов явилось изготовление из углепластика в 1967 г. панелей задней кромки крыла самолета F-111A. В последние годы в изделиях аэрокосмического назначения все чаще можно встретить конструкции из трехслойного «сэндвича» сотовым алюминиевым заполнителем и обшивками из углепластика. В настоящее время порядка 50 % от общей массы самолета Boeing 787 или Airbus A350 составляют композиционные материалы. В автомобилестроении композиционные материалы применяются достаточно давно, в основном получили развитие технологии изготовления аэродинамического обвеса. Ограниченно композиционные материалы применяются для изготовления деталей подвески и двигателя.

Однако до последнего времени на предприятиях использовалась в основном ручная выкладка деталей из композитов, а серийность выпускаемой продукции не требовала глубокой автоматизации процессов. Сегодня с развитием конкуренции на рынке не обойтись без современных средств проектирования и подготовки производства, а также без эффективного оборудования для работы с композитами.

Технологии создания изделий из композиционных материалов

В большинстве случаев в качестве связующего наполнителя используется химически отверждаемая термореактивная смола, процесс отверждения характеризуется экзотермической химической реакцией. В основном используются полиэфирные, эпоксидные, фенольные и высокотемпературные смолы. Чаще всего в изготовлении деталей сложной конфигурации применяют технологии суть которых заключается в выкладке «сухой» основы с последующей пропиткой связующим составом («влажная» формовка, намотка, инжекция, Resin Transfer Molding / RTM) или с поочередной выкладкой «сухой» основы с пленочным клеем (вакуумная пропитка, Resin Film Infusion / RFI). Существует несколько основных технологий изготовления деталей из композиционных материалов, включая ручные и автоматизированные методы:

пропитка армирующих волокон матричным материалом;
формирование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой;
холодное прессование компонентов с последующим спеканием;
электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием;
осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием;
пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов;
совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и др.

Кроме того широкое распространение получила технология изготовления деталей с использованием препрегов (полуфабрикатов, представляющих собой материал основы, пропитанный связующим составом).

Программное обеспечение

Задачей конструирования изделия из композиционных материалов является правильный подбор композиции, обеспечивающий сочетание свойств, необходимых в конкретном эксплуатационном случае. При конструировании армированных полимерных композиционных материалов широко используется компьютерная обработка данных, для чего разработано большое количество разнообразных программных продуктов. Их использование позволяет повышать качество продукции, сокращать длительность разработки и организации производства конструкций, комплексно, качественно и быстро решать задачи их рационального проектирования. Учет неравномерности нагрузок позволяет проектировать корпусную конструкцию из армированного композита с дифференцированной толщиной, которая может изменяться в десятки раз.

Современные программные продукты можно условно разделить на две группы: выполняющие пакетный анализ ламинатов в «двухмерной» или «балочной/пластинной» постановке и в трехмерной. Первая группа - это программы типа Laminator, VerctorLam Cirrus и др. «Трехмерное» решение - метод конечных элементов, и тут большой выбор среди имеющихся программных продуктов. На рынке «технология моделирования композитов» существуют различные программные продукты: FiberSim (Vistagy / Siemens PLM Software), Digimat (e-Xstream / MSC Software Corp.), Helius (Firehole Composites / Autodesk), ANSYS Composite PrepPost, ESAComp (Altair Engineering) и др. .

Практически все специализированное программное обеспечение различных компаний, имеет возможность интеграции с системами СAD высокого уровня - Creo Elements/Pro, Siemens NX, CATIA. В целом, работа выглядит следующим образом: выбирается материал слоев, определяются общие параметры пакета слоев, определяется метод формирования слоев, послойный метод применяется для производства несложных деталей, для сложных изделий применяются методы зонного или структурного проектирования. В процессе выкладки слоев задается их последовательность. В зависимости от метода производства изделия (ручная выкладка, формование, выкладка ленты, выкладка волокна) осуществляется послойный анализ материала на возможные деформации. Состав слоев приводится в соответствие с шириной используемого материала.

После завершения формирования слоев пользователь получает данные об изделии, позволяющие использовать их для различных целей, например:

вывести в виде конструкторской документации;
использовать в виде исходных данных для раскроя материала;
исходные данные для лазерного проектора для обозначения контуров мест укладки выкроек.

Переход на современные технологии проектирования и подготовки производства изделий позволяет:

сократить расход композитных материалов за счет использования точных разверток и раскройных станков;
увеличить скорость и повысить качество ручной выкладки материала за счет использования точных заготовок и лазерных проекций мест их выкладки;
добиться высокого уровня повторяемости изделий;
сокращение влияния человеческого фактора на качество производимых изделий;
снижение требований к квалификации персонала, занятого укладкой.

Оборудование для создания матриц

Изготовление мастер-модели из дерева процесс трудоемкий и длительный, для уменьшения времени изготовления матрицы и повышения точности используются: трех/пятиосевые фрезерные станки с ЧПУ, контрольно-измерительные машины или 3Д сканеры.

Портальный пятиосевой фрезерный станок, (рис 1), доступен лишь крупным производителям. Небольшие компании используют фрезерные роботоризированные комплексы на линейных блоках (linear robot unit) (рис. 2), либо изготавливают мастер-модели из склеенной заготовки. В этом случае за основу заготовки берется жесткий пустотелый каркас, который обклеивается снаружи и затем целиком обрабатывается. Компании, не имеющие возможность обработать изделие целиком, идут по другому пути: Сначала в CAD-системе при помощи плоскостей строится упрощенная 3D-модель изделия, на основе упрощенной модели проектируется жесткий силовой каркас из фанеры. Затем вся внешняя поверхность представляется в CAD-системе как облицовка внутреннего каркаса. Размеры облицовки подбираются таким образом, чтобы ее можно было отфрезеровать на имеющемся фрезерном станке с ЧПУ (рис 3). Затем точно собранный каркас обклеивается модельной облицовкой. При таком методе точность мастер-модели ниже и требуется ручная доводка стыков облицовки, но это позволяет создавать изделия, размеры которых значительно превышают возможности имеющихся станков с ЧПУ.

Рис. 1. Пятикоординатный фрезерный станок MR 125, способен обрабатывать детали размером 15x5 м и высотой до 2,5 м

Рис. 2. Фрезерный роботоризированный комплекс Kuka

Рис. 3. «Небольшой» пятикоординатный фрезерный станок

Оборудование для создания композитов

Первым шагом механизации процесса формования явилось использование пропиточных машин, которые помимо пропитки собирают стеклоткани или стеклохолсты в многослойные пакеты общей толщиной 4 - 5 мм. Для механизации процессов, снижения вероятности ошибки персонала, увеличения производительности применяется, например, метод напыления, с помощью которого можно получать наружную обшивку, полотнища переборок и другие конструкции из стеклопластика. Метод напыления позволяет получить приформовочные угольники механизированным путем и обеспечить более высокую производительность труда по сравнению с приформовочными угольниками, формованными вручную из полосок стеклоткани или стеклохолста. Следующий этап развития производства изделий из композитов это внедрение установки для автоматизированной намотки выкладки углестеклонаполнителей. Первый «робот» предназначенный для укладки сухой ткани рулонного типа был продемонстрирован американской компанией Magnum Venus Plastech. Впервые в России подобное оборудование внедрено на ОАО «ВАСО». Данное оборудование позволяет изготавливать композитные детали длиной до 8 м и диаметром до 3 м (рис 4) .

Для облегчения ручной выкладки ткани и сокращения отходов применяются раскройные машины для автоматической резки ткани/препрега, лазерные проекторы LAP и LPT для контурной проекции при выкладке препрега на технологическую оснастку. Используя модуль лазерного проецирования (рис 5) имеется возможность автоматически генерировать данные для проецирования непосредственно из 3D-модели композитного изделия. Такая схема работы значительно сокращает временные издержки, увеличивает эффективность процесса, снижает вероятность дефектов и ошибок, и делает управление данными проще. Комплекс «ПО - раскройный станок - проекционный лазер» по сравнению с традиционной выкладкой снижает трудоемкость раскроя примерно на 50 %, трудоемкость выкладки - примерно на 30 %, повышает коэффициент использования материалов, то есть можно сэкономить от 15 до 30 % материала .

Формование углепластиков методом намотки позволяет получать изделия с наиболее высокими деформационно-прочностными характеристиками. Методы намотки делятся на «сухие» и «мокрые». В первом случае для намотки используются препреги в виде нитей, жгутов или лент. Во втором - пропитка армирующих материалов связующим ведется непосредственно в процессе намотки. В последнее время разрабатывается оборудование, в котором для управления схемой ориентации волокон используются компьютерные системы. Это позволяет получать трубчатые изделия, имеющие изгибы и неправильную форму, а также изделия со сложной геометрией. Разрабатывается оборудование для намотки с применением гибкой технологии, когда армирующие волокнистые материалы можно укладывать на оправке в любом направлении.

Рис. 4 Станок для автоматизированной намотки-выкладки углестеклонаполнителей Viper 1200 FPS фирмы MAG Cincinnati

Рис. 5. Система лазерного позиционирования (зеленый контур)

Оборудование для контроля геометрии и внутренней структуры изделия

Обводы изделий часто имеют криволинейные образующие, проверить которые традиционными «плазовыми» методами не представляется возможным. При помощи 3D-сканирования можно определить насколько точно физический образец соответствует компьютерной 3D-модели. Для 3D-сканирования также можно воспользоваться координатно-измерительной машиной (КИМ) типа «рука» или бесконтактной оптической/лазерной системой сканирования. Однако при использовании бесконтактные системы сканирования, как правило, не могут корректно работать с зеркальными и высокоглянцевыми поверхностями. При использовании «измерительных рук» потребуется несколько последовательных переустановов, поскольку рабочее пространство в силу конструкции измерительных рук обычно ограничено сферой радиусом 1,2-3,6 м.

Также у стеклопластиковых материалов есть ряд проблемных направления. Один из основных - это контроль качества готового изделия (отсутствие воздушных полостей) и коррозия в процессе эксплуатации. Для неразрушающего контроля судовых корпусов из композитов достаточно широко применяют рентген, но стремятся к его сокращению по ряду соображений. В последнее время стали появляться публикации описывающие выявление расслоений инфракрасной термографией (тепловизорами). При этом, что тепловизионный, что рентгеновский методы НК обнаруживая расслоения, не позволяют измерять их размеры и определять глубину залегания дефектов, для того чтобы оценивать их влияние на изменение характеристик прочности.

Заключение

В настоящее время в России практически только начинается интенсивное развитие автоматизации сборки композиционных изделий, в том числе оборудование для создания матриц. Чаще всего выполняют только отдельные элементы аэродинамического обвеса для «тюнинга» автомобилей. Успехом является внедрение на средненевском судостроительном заводе системы FiberSIM при проектировании и строительстве базового тральщика проекта 12700 , а также на ВАСО станка автоматической укладки ткани. Но это отдельные примеры, для повышения конкурентоспособности необходимо комплексное внедрение новых технологий.

Библиографическая ссылка

Чернышов Е.А., Романов А.Д. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 2. – С. 46-51;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33649 (дата обращения: 25.11.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Во время такого метода используются заранее подготовленные наполнители. Благодаря такому методу гарантируется высокая однородность продукции на прочность, и контролируются показатели. Однако качество получаемого изделия зависит в высокой степени от мастерства и опыта рабочих.

Производство изделий из стеклопластика ручным формованием разделено на несколько этапов. Первый этап называется подготовительным, в процессе которого отчищается поверхность матрицы ожидаемого изделия, затем обезжиривается и в конце наносится слой разделительного воска. В конце первого этапа матрица покрывается защитно-декоративным слоем - гелькоутом. Благодаря такому слою формируется наружная поверхность будущего изделия, задается цвет и обеспечивается защита от действия вредных факторов, таких как вода, ультрафиолет и химические реагенты. В основном используют негативные матрицы для производства готового изделия. После того, как высохнет специальный слой гелькоут, можно перейти к последующему этапу, который называется формовка. В процессе этого этапа в матрицу закладывается изначально раскроенный стекломатериал, также можно использовать другой тип наполнителя. Далее идет процесс формирования «скелета» ожидаемого изделия. Затем смола с катализатором, предварительно смешанная, наносится на подготовленный стекломатериал. Смолу необходимо равномерно распределить благодаря кисточкам и мягким валикам по матрице. Последний этап можно назвать прикаткой. Его используют, чтобы удалить из еще не отверделого ламината пузырьки воздуха. Если их не удалить, то это скажется на качестве готового изделия, поэтому ламинат необходимо прикатать жёстким валиком. Когда готовое изделие застыло, его достают из формы и придают механообработке, включающую в себя высверливание отверстий, обрезку излишков стеклопластика по краям и др.

Преимущества такого метода:

существует реальная возможность получить продукт сложной формы и немалого размера с минимальными вложениями;
конструкция изделия поддается легкому изменению, поскольку в изделие вводятся закладные детали и арматура, а цена оснастки и требуемого оборудования достаточно низкая;
чтобы изготовить матрицу используется любой материал, который способен сохранить свои пропорции и форму.

Недостатки такого метода:

существенные затраты ручного труда;
производительность достаточно низкая;
качество изделия будет зависеть от квалификации формовщика;
этот метод подойдет для выпуска мелкосерийной продукции.

2. Напыление.

Для мелкого и среднесерийного производства подойдет именно такой метод. Метод напыления имеет множество достоинств по сравнению с контактным формованием, даже несмотря на то, что предстоят определенные затраты на покупку оборудования для этого метода.

Специальная установка позволяет нанести защитное покрытие и пластик. Благодаря чему не понадобится предварительный раскрой материала и приготовление связующего вещества, вследствие чего резко сокращается часть ручного труда. Специальные установки автоматически производят жёсткий отсчет доз смолы и отвердителя, также они осуществляют рубку ровинга на части необходимых размеров (0,8 - 5 см). После процесса рубки части нити должны попасть в струю связующего и пропитаться во время переноса на матрицу. За счет ручного труда осуществляется уплотнительный процесс для стеклопластика в матрице с помощью прикаточного валика.

Ряд преимуществ при производстве стеклопластика методом напыления:

происходит экономия времени и полезных площадей за счет того, что не надо раскраивать материал и подготавливать связующее вещество;
можно уменьшить количество производственных площадей за счет снижения числа специально подготовленных мест для формовки;
скорость формования изделия увеличивается;
контроль над качеством продукции упрощается;
фонд заработной платы существенно экономится;
за счет того, что ровинг - относительно недорогой материал, то существенно понижается стоимость полученного изделия.

Когда связующее вещество готовится небольшим количеством, то при ручном формовании на инструментах и стенках тары остается до 5% связующего вещества, что довольно неэкономично. Известно, что от мастерства и опыта оператора установки будет зависеть качество полученного продукта. Этот метод использует ту же оснастку, что и во время ручной формовки.

3. Пултрузия.

Технология пултрузии основывается на производстве непрерывным способом профильных изделий из волокнистых пластиков одноосно-ориентированных. Профильное изделие с неизменным поперечным сечением из подходящего материала как раз и можно получить методом пултрузии.

Благодаря специальной пултрузионной машине происходит изготовление профиля из стеклопластика. Такая машина состоит из секции для подачи армирующих материалов, фильера, из секции для пропитки, тянущего агрегата, блока управления нагревательными элементами и из секции для обрезки. Паковку ориентированного волокна лучше укреплять в сухом состоянии и пропитывать полимерной композицией, прокачиваемой через сухую паковку. Благодаря такой технологии в материал не попадет воздух. Излишки смолы стекут обратно в поддон и поступят на рециркуляцию. Ровинг, который используется, как армирующий материал сматывается с бобин в сухом состоянии и собирается в пучок специальным способом. Затем материал поступает в устройство пропитки - это специальная ванна со смолой, где полностью смачивается полиэфирным, эпоксидным или другим связующим. Затем уже пропитанный материал отправляется в нагретую фильеру, задачей которой является сформировать конфигурацию профиля. Затем композиции затвердевает при указанном температурном режиме. В итоге получился профиль из стеклопластика, конфигурация которого повторяет форму фильеры.

Доказано, что изделия, полученные путем пултрузации, по свойствам превосходят детали, выполненные классическими методами формования. Увеличение стоимости такого метода обуславливается рядом преимуществ, которые характерны для этого процесса. К преимуществам можно отнести строгость контроля натяжения и направленность волокна, уменьшение количества пор и удержание неизменного содержания волокна в композите. Очевидно, что даже свойство межслоевого сдвига однозначно улучшается. На данный момент разработано несколько вариантов главного процесса пултрузии, которые интересуют многих и много значат для промышленности. Их преимуществами являются хорошие электрические, физические, химические и тепловые свойства, высокая производительность и отличный допуск по размерам. Для изготовления постоянных пластинчатых и листовых полуфабрикатов как раз и предназначен один из таких методов пултрузии.

Однако каждый метод имеет свои недостатки. Для этого метода характерен такой недостаток, как скорость процесса, которая будет зависеть от температуры и скорости затвердевания связующего. Обычно она невелика для низкотеплостойких полиэфирных смол. Ещё одним недостатком является то, что тяжело предоставить постоянное сечение изделия по длине, за исключением изделий с не особо сложной формой сечения - квадратной, круглой, двутавровой и других. Чтобы получить изделие необходимо использовать только нити или жгуты. Однако за последнее время эти недостатки метода получения профильных изделий помаленьку устранились и применение этого процесса заметно расширилось. Композиция, которая основывается на поливиниловых эфирах и эпоксидных смолах используются в качестве полимерных матриц. Применение таких полимерных матриц на основе полисульфона, полиэфирсульфона и пластифицированного полиимида дает возможность достигнуть скорости формования стержней диаметром около пяти мм со скоростью порядка сто два м/мин.

Чтобы получить сложные армированные профильные изделия, необходимо воспользоваться методом протяжки слоистых материалов, которые состоят из волокнистых матов или тканей. На текущий момент разработаны методы получения трубчатых изделий, которые сочетают в себе намотку спирального слоя и протяжку. Лопасти ветряных двигателей, которые имеют сложный профиль поперечного сечения, можно привести в качестве примера использования материалов, имеющие сложную схему армирования. Уже разработана оснастка для формования полуфабрикатов для листовых автомобильных рессор, которые имеют криволинейную поверхность и непостоянное поперечное сечение.

4. Намотка.

Одним из самых многообещающих методов формования изделий из стеклопластика выступает метод намотки волокном, за счет того, что он создает требуемую структуру наполнителя в фабрикатах в зависимости от их формы и особенностей эксплуатации. Благодаря использованию жгутов, лент, нитей в качестве наполнителей позволяет обеспечить максимальную прочность изделий. Тем более, что такие наполнители являются наиболее дешевыми.

Процесс намотки волокном можно назвать относительно несложным методом, в котором на вращающуюся оправку наматывается армирующий материал в виде постоянного ровинга (жгута) или нити (пряжи). Специальные механизмы следят за углом намотки и нахождением армирующего материала. Эти устройства передвигаются со скоростью, совпадающей с вращением оправки. Материал обертывается вокруг оправки в виде полос, соприкасающихся друг с другом, либо по какому-то специальному рисунку до полного перекрытия оправочной поверхности. Идущие друг за другом слои, могут наноситься под одним углом или под разными углами намотки, пока не наберется требуемая толщина. Угол намотки меняется от очень малого, который имеет название продольного, до большого - окружного. Такое расположение подразумевает 90 0 относительно оси оправки, захватывая все углы спирали этого интервала.

Термореактивная смола служит связующим веществом для армирующего материала. В процессе мокрой намотки смола наносится непосредственно во время самой намотки. Процесс сухой намотки основан на применении ровинга, который предварительно пропитывается смолой в В-стадии. Затвердение осуществляется при увеличенной температуре без лишнего давления. Завершающая стадия процесса основывается на взятии изделия с оправки. По необходимости можно провести отделочные операции: обработку механическим путем или шлифовальный способ. Основной процесс намотки характеризуется множеством вариантов, которые различаются лишь характером намотки, а также особенностями конструкции, сочетанием материалов и разновидностью оборудования. Конструкцию необходимо намотать как на поверхности вращения. Однако существует возможность отформовать изделия и другого вида, например, сжатием еще незатвердевшей намотанной детали внутри закрытой формы.

Конструкция получается похожа на гладкий цилиндр, трубу или тюбинг, диаметр которых получается от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Намотка позволяет формовать изделия конической, сферической и геодезической формы. Чтобы получить сосуды высокого давления и резервуары для хранения, в намотку необходимо ввести торцевую заглушку. Есть возможность сформовать изделия, которые будут работать в нестандартных условиях нагружения, например, наружное или внутреннее давление, нагрузки на сжатие или крутящий момент. Термопластичные трубы и сосуды из металла высокого давления укрепляются при намотке наружными бандажами. Полученным изделиям характерна высокая степень точности. Однако существует и другая сторона процесса намотки, для такого процесса характерны меньшие скорости производства. Плюсом является то, что для намотки сгодится абсолютно любой постоянно армирующий материал.

Для процесса намотки можно использовать машины разных типов: от различных токарных станков и машин на основе цепного привода до более сложных компьютеризованных агрегатов, характеризующимися тремя или четырьмя осями движения. Применяются также машины, которые непрерывно производят трубы. Для удобства намотки больших резервуаров должно быть спроектировано портативное оборудование на месте установки.

Основные достоинства метода намотки:

доходный с точки зрения экономики метод укладки материала за счет быстроты процесса;
возможность регулировки соотношения смола/стекло;
малый собственный вес, но при этом высокая прочность;
данный метод не расположен к коррозии и гниению;
относительно недорогие материалы;
хорошая структура ламинатов, за счет того, что профили обладают направленными волокнами, и хорошее содержание стекломатериалов.

5. Прессование.

Процесс прессования состоит в непосредственном придании нужной формы изделию под воздействием высокого давления, которое образуется в пресс-форме при температуре быстрого затвердения материала. Благодаря внешнему давлению в материале, который прессуется, происходит его уплотнение и частичная деструктуризация прежней структуры. Трение между соприкасающимися частичками материала, которое образуется во время уплотнения, вызывает появление тепловой энергии, которая однозначно приведет к плавлению связующего вещества. После того, как материал перейдет в вязкопластичное состояние, он растекается в пресс-форме под действием давления, образуя целостную и уплотненную структуру. Процесс затвердевания основан на протекании реакции сшивки макромолекул благодаря поликонденсации между свободными группами связующего вещества. Для реакции необходимо тепло, в процессе которого происходит выделение низкомолекулярных, летучих веществ таких как, метанол, вода, формальдегид, аммиак и др.

Параметры для технологии прямого прессования:

температура заблаговременного подогрева;
давление прессования;
температура прессования;
временная выдержка под давлением;
параметры подпрессовок;

Давление направленно действует на материал, находящийся в полости формы, при прямом прессовании, поэтому детали формы могут преждевременно износиться. В зависимости от типоразмеров изделия цикл прессования может составлять от 4 до 7 мин. Прямое прессование пластиков для армирования имеет две разновидности, которые зависят от того, как пропитывается волокнистый наполнитель:

Прессуются сухие, предварительно пропитанные холсты и ткани;
Прессуются с пропиткой именно в форме.

Большей популярностью пользуется первый способ. Для выполнения изделий относительно простой формы применяется прямое прессование. Благодаря высоким требованиям, предъявляемых к качеству наружной поверхности детали, были созданы автоматические установки для дозировки компонентов при приготовлении заготовок из препрегов. Спроектированы специальные автоматические манипуляторы, которые загружают пакеты заготовок в многогнездные формы пресса. Поколение новых прессов высокой точности оснащены современными системами контроля, благодаря которым можно получить детали с высококачественной поверхностью, а их стоимость примерно одинакова со стальными деталями.

6. Технология SMC.

Серьёзным препятствием для распространения композиционных материалов является плохое приспосабливание традиционных технологий их выпуска к потребностям современного крупносерийного производства, к тому же полностью автоматизированного. На сегодняшний день композитные детали все-таки остаются «штучным товаром». Дорогой труд опытного персонала вносит высокий вклад в долю стоимости этих материалов. Несмотря на это, за последние годы мы достигли значительного прогресса в подготовке автоматических методов производства композитов. SMC-технология стала одной из самых востребованных разработок.

Конечные изделия по такой технологии подлежат двухстадийному процессу. Первая стадия технологии характеризуется тем, что производится препрег на автоматической конвейерной установке, а уже на второй стадии происходит переработка препрега в стальных пресс-формах в готовые детали. Опишем эти этапы подробнее. Ненасыщенная полиэфирная смола используется в качестве основы для связующего материала. К ее достоинствам относится низкая цена и короткое время отверждения. Армирующим компонентом выступает рубленое стекловолокно, которое хаотично распределяется в объёме листа. Долгое хранение в течение нескольких месяцев при комнатной температуре обеспечено системой отверждения смолы. Химические загустители увеличивают вязкость связующего после того как стекловолокно было пропитано на несколько порядков, благодаря чему улучшается технологичность препрега, а также увеличивается срок его хранения. Минеральные наполнители, которые вводятся в связующее в большом количестве, повышают огнестойкость готовых изделий и, а качество их поверхности заметно улучшается.

Получившийся препрег, подлежит переработке в автоматическом процессе благодаря прессованию в обогреваемых стальных пресс-формах. Эти формы по конструкции похожи на литьевые формы для термопластов. Благодаря рецептуре связующего препрег твердеет при температуре 150 С и давлении 50-80 бар со скоростью ~30 сек/мм толщины. Очень низкая усадка при затвердении является важной особенностью технологии SMC. Благодаря высокому содержанию минерального наполнителя и специальных термопластичных добавок усадка получается величиной до 0,05%. У полученных изделий ударная вязкость составляет 50-100 кДж/м 2 , а разрушительная прочность на изгиб - 120-180 МПа. Экономически целесообразно использовать SMC технологию при получении высококачественных композитных изделий большими партиями от нескольких тысяч до сотен тысяч в месяц. На европейском рынке похожих материалов выпускается сотни тысяч в год. Электроэнергетическая, автомобильная и железнодорожная промышленности являются крупнейшими потребителями этих материалов.

7. Метод RTM (Resin Transfer Moulding).

Метод RTM основывается на пропитке и формовании композитов под давлением, в процессе которого связующее вещество переходит в закрытую матрицу, в которой уже содержится наполнители или преформы. Различные ткани разнообразного переплетения могут выступать как армирующий материал, например, мультиаксиальный или эмульсионный материал, и порошковые стекломаты. Связующим веществом выступает смола, которая гелеобразуется 50-120 мин, имеющая низкую динамическую вязкость. ГОСТ 28593-90 определяет вязкость и время гелеобразования смолы.

Такой метод отлично подойдет для стандартных объёмов 500 -10000 изделий в год. Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм, которые повторяют с двух сторон внешние обводы детали. Конструкции обладают высокотемпературными характеристиками, которые удерживаются точным совмещением закрытых стальных рам, которые поддерживаются в местах зажимов.

Этот метод идеален для производства матриц 0,2м 2 до 100м 2 . Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм. Контур матрица состоит из более легкой и гибкой конструкции. Половинки матрицы соединяются между собой под воздействием вакуума.

Преимущества технологии RTM:

автоматизированное производство, благодаря чему уменьшается случайный характер вмешательства человека;
происходит сокращение и контроль количества используемого сырья;
снижено влияние материла на экологию;
улучшены условия труда;
создаются относительно прочные изделия, за счет лучшей пропитки;
относительно дешевое оборудование.