Материал: Методические указания к подготовке к практическим занятиям по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов». Калгин А.В

Параметры формования оказывают значительное влияние на целостность композитного изделия. Правильный выбор скорости протяжки, температурный профиль фильеры, оптимальный объем волокна, выбор и совместимость волокон и полимерной матрицы, хорошая упаковка волокон и правильная пропитка полимером являются ключевыми факторами, определяющими качество продукта. В оптимальном варианте по свойствам пултрузионные изделия превосходят изделия, произведенные контактным формованием, они более монолитные, более кислото- и щелочестойкие. Строгий контроль натяжения волокна позволяет увеличить прочность изделия. Она на 30-35 % превышает аналогичный показатель изделий, полученных вакуумным формованием.

Особенность пултрузионной переработки состоит в том, что в полученных изделиях весь наполнитель ориентирован только в одном направлении, совпадающем с направлением протяжки. Следовательно, по свойствам такие изделия сильно анизотропны. Их прочность в продольном направлении существенно выше, чем в поперечном.

Методом пултрузии получают оконные профили, системы вентиляции, арматуры для бетона, шумозащитные экраны, электроизоляторы, столбы для установки средств дорожного оснащения, трапы и поручни, строительные конструкции и т.д.

Другим примером непрерывной технологии получения изделий из ПКМ является роллтрузия. При реализации этой технологии роль фильеры выполняют группы профилированных роликов (рис. 4), последовательно формующих контур поперечного сечения изделия.

Рис. 4. Схема формующего узла при роллтрузии

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что представляют собой технологические процессы пултрузии и роллтрузии?

2. Какой конфигурации изделия получаются пултрузией?

3. Какие параметры формования оказывают значительное влияние на целостность изделия из ПКМ, формуемого методом пултрузии?

4. В чем состоит особенность пултрузионной переработки?

Практическое занятие № 14

Прессовое формование

Цель работы: ознакомление с технологией прессового формования изделий на основе полимерных композиционных материалов.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

14.1. Жесткое прессование

Формование по схеме жесткого прессования предполагает реализацию давления на препрег через оснастку штампового типа при комнатной или повышенной температуре (рис. 1).

Рис. 1. Формование жестким прессованием:

1 − неподвижная часть пресс-формы; 2 − подвижная часть пресс-формы; 3 – препрег

Типовой технологический процесс жесткого прессования состоит в следующем. Поверхность пресс-форм смазывается антиадгезионным покрытием и нагревается до 50-70 °С. На поверхность неподвижной части пресс-формы выкладывается предварительно раскроенный препрег или сразу готовый пакет из нужного количества слоев препрега. Затем пресс-формы помещают в пресс и создают давление на препрег в результате сближения нижней и верхней частей пресс-форм.

Для того чтобы препрег лучше заполнил рельеф пресс-формы без разрушения материала, давление прикладывают по определенной схеме, пример которой показан на рис. 2.

Рис. 2. Изменение давления на препрег при формировании

изделий прессованием

При давлении P₁, равным приблизительно 0,5-0,7 МПа, производят предварительное уплотнение, обеспечивающее заданное распределение препрега по зазору между верхним и нижним частями пресс-формы. Давление P₂ = 1,5-2,0 МПа обеспечивает заполнение препрегом всех впадин пресс-формы. Процесс отверждения связующего производят при давлении P₃, значение которого несколько ниже давления подпрессовки. Охлаждение детали производится при давлении P₄ = 0,7-0,9 МПа.

Необходимость нагрева формы с заготовкой определяется свойствами связующего. Так, использование в качестве связующего фенолформальдегидных смол требует нагрева материала в течение 15-20 мин при температуре 190-200 °С. Применение полиэфирных и эпоксидных смол позволяет проводить отверждение при комнатной температуре.

Зависимость толщины детали от давления является нелинейной и выражается эмпирической формулой

δ_i/δ₀ = (A – BlgP),

где δ_i – текущее значение толщины детали; δ₀ – толщина детали при давлении P = 0,01 МПа.

Численные значения коэффициентов A и B зависят от типа переплетения используемой ткани в препреге. Например, для ткани полотняного плетения A = 0,84 и B = 0,16.

К жестким пресс-формам предъявляются повышенные требования по прочности, т.к. они работают в условиях длительных нагрузок и повышенных температур. Пресс-формы обычно изготавливают из сталей.

Данный способ формования позволяет получать детали с повышенной точностью размеров и хорошим качеством поверхности. К недостаткам жесткого прессования можно отнести высокую стоимость пресс-форм.

14.2. Упругое прессование

Этот метод отличается от жесткого прессования тем, что формующий элемент (пуансон) выполняется из эластичного материала (например, резины). При опускании резинового пуансона 1 со скоростью V₁ он перемещается по поверхности препрега со скоростью V₂. Образуется волнообразное приложение давления на препрег, что приводит не только к уплотнению последнего, но и удалению воздушных включений между слоями препрега 2 и 3 (рис. 3).

Рис. 3. Характер нагружения при упругом прессовании

Скорость перемещения пуансона по поверхности прессуемого изделия зависит от рельефа изделия, формы пуансона и составляет обычно 0,004-0,005 м/с. Равномерность давления при упругом прессовании достигается при условии H ≥ (15-20)∆h, где H – толщина резинового пуансона, а ∆h – разнотолщинность стенок изделия.

Применяемая для упругого прессования резина обладает способностью к большим (до несколько сотен процентов) обратимым деформациям, значительной долговечностью, масло- и теплостойкостью. При больших значениях деформации (до 400 % при растяжении) резина не изменяет своего объема. Следовательно, замкнув полость формы, можно длительное время сохранять в ней постоянное давление. Сравнительно легко осуществляется герметизация резинового пуансона в замкнутой полости. За счет исключения операции подгонки матрицы и пуансона стоимость оснастки при упругом формовании в 2-3 раза ниже, чем при жестком формовании. Резина имеет низкую теплопроводность, благодаря чему уменьшается рассеивание тепла и улучшаются условия отверждения материала. Наряду с повышением качества изделия упругое прессование благодаря созданию более равномерного давления прессования на препрег является технологическим процессом, более экономичным по сравнению с жестким прессованием.

К достоинствам метода следует отнести высокое качество как внешней, так и внутренней поверхностей изделия, а также высокую однородность и прочность материала. Недостатки метода: высокая стоимость и материалоемкость штампов, сложность получения деталей больших габаритов и сложной конфигурации.

14.3. Термокомпрессионное формование

14.3.1. Формование температурным расширением вкладышей

Для создания избыточного давления на формуемый материал широко используются свойства некоторых сортов кремнийорганической резины существенно увеличивать объем при нагреве, в результате чего можно достигнуть значительного давления в замкнутом объеме.

Схема формования изделия температурным вкладышем показана на рис. 4.

Рис. 4. Термокомпрессионное формование:

1 – нижняя часть контейнера; 2 – верхняя часть контейнера; 3 – кремнийорганическая резина; 4 – препрег.

На форму нижней части контейнера 1 укладывается препрег 4, а сверху устанавливается верхняя часть контейнера 2 с вкладышем из кремнийорганической резины 3. Контейнер помещается в печь. При нагреве вкладыш расширяется и создает давление на формуемый материал, которое может достигать 30 атм.

Метод очень эффективен, обеспечивает высокое давление и культуру производства. В то же время ему присущи некоторые недостатки. Ресурс вкладышей невысок, так как резина не выдерживает многократного нагружения при высоком давлении и разрушается. При сложном рельефе изделия (рис. 4, б) давление на препрег существенно отличается в зонах с большим (А) и малым (В) объемами.

14.3.2. Комбинированные способы формования

В целях повышения прочности изделия, качества поверхности или снижения энергетических затрат используют комбинации способов формования. На рис. 5 показан способ, сочетающий термокомпрессионное и автоклавное формования.

Рис. 5. Комбинированное формование:

1 – форма; 2 – препрег; 3 – резиновые вкладыши и 4 – герметичная оболочка

Ротационное и центробежное формование

Цель работы: сформировать и закрепить теоретические знания о технологиях ротационного и центробежного формований изделий из полимерных композиционных материалов.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

15.1. Ротационное формование

Этот метод формования позволяет получать полые изделия (бочки, контейнеры, лодки и др.) разнообразных форм и размеров из термопластичных смол, наполненных волокнами или дисперсными наполнителями. Процесс ротационного формования включает в себя три стадии (рис.).

Схема ротационного формования

На первой из них I в холодную форму, представляющую собой полую раковинообразную конструкцию, загружается определенное количество наполненного полимерного материала. Далее (стадия II) закрытую форму помещают в нагревательную камеру, где и происходит процесс формования. При этом с помощью соответствующих устройств форма приводится во вращение относительно двух осей. Вращение с относительно невысокой частотой (0,4 до 2 с^-1) приводит к распределению полимера с наполнителем по стенкам формы. Стадия III заключается в охлаждении формы с формованным изделием, которое может осуществляться с помощью холодного воздуха или водяного тумана; в тоже время форма продолжает вращаться для полного и равномерного затвердевания наполненного полимера по всей поверхности формы. После завершения охлаждения форма раскрывается, и готовое изделие извлекается из нее.

Процесс происходит при атмосферном давлении. Условия формования исключают значительные нагрузки на стенки оснастки, поэтому формы для ротационного формования могут иметь тонкие стенки и относительно дешевы. Объем формуемых изделий определяется размерами нагревательной камеры и может достигать несколько кубов. Для обогрева форм используется горячий воздух (электрические нагреватели) или сжигаемый природный газ.

К преимуществам ротационного формования перед другими методами получения полых изделий, относятся простота изготовления и дешевизна оснастки, возможность варьирования толщины стенки вплоть до 15-20 мм, очень низкий уровень остаточных напряжений в готовом изделии, возможность получения изделий сложной формы со стенками различной толщины, практически полное отсутствие отходов и, как следствие, экономичность, процесса.

Недостатками процесса ротационного формования являются длительность цикла формования, ограниченный выбор материалов, низкий уровень размерной точности готовых изделий.

Для переработки методом ротационного формования используются в основном несколько видов термопластов. Это, в первую очередь, полиэтилен. Его преимущества – высокая термостабильность, легкая перерабатываемость гранул в порошок, относительно низкая стоимость.

Среди остальных полимеров лидирующую роль занимают пластизоли на основе ПВХ (от 10 до 13 %). Для ротационного формования разработаны также специальные марки полиамидов, поликарбонатов, полипропилена, полистирола. Возможно изготовление этим методом изделий на основе термореактивных полимеров – полиуретанов, эпоксидных композиций и др. Для предотвращения окисления некоторых термопластов (например, полиамидов) в форму нагнетают инертный газ.

Формы для ротационного формования достаточно просты и изготовляются из стали или алюминия. Алюминиевые формы используют для изготовления сложных изделий. При эксплуатации формы подвергаются значительным термическим напряжениям из-за многократных циклов нагревания (до 300 °С) и охлаждения.

15.2. Центробежное формование

Центробежное формование (иногда центробежное литье) – метод изготовления изделий в виде тел вращения (цилиндров (труб), втулок, подшипников скольжения и т.п.). Этот метод, как правило, находит применение в тех случаях, когда размеры (габариты или толщина) изделий не позволяют изготовить их другими методами.

В автоклав устанавливается форма 1 с препрегом 2. В углубления помещают вкладыши 3 из резины, а сверху – герметичную оболочку 4. Из-под оболочки откачивается воздух, а в автоклаве создается давление и повышенная температура. В результате происходит комбинированное давление на препрег – давлением воздуха и расширением резины.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие виды прессового формования Вы знаете?

2. Каким образом проводят жесткое прессование? Достоинства и недостатки жесткого прессования.

3. Упругое прессование. Достоинства и недостатки упругого прессования.

4. Сущность, разновидности, достоинства и недостатки термокомпрессионного формования.

5. Для чего применяют комбинированные способы формования?

Практическое занятие № 15