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

В отличие от ротационного формования процесс центробежного формования осуществляется при высоких частотах вращения нагревательной формы (до 150 с^-1), поэтому под действием центробежных сил материал заполняет форму, приобретая конфигурацию и размеры готового изделия. После охлаждения и остановки формы снимаются фланцы, и извлекается изделие из формы. Обычно внутренний слой изделия имеет более рыхлую структуру и подвергается механической обработки для получения необходимого внутреннего диаметра изделия. С учетом этого материал дозируют с запасом в 10-15 %.

Наибольшее распространение этот метод находит в получении толстостенных труб большого диаметра на основе полиамидов, полиэфиров и других термопластов с низкой вязкостью расплава. Из-за склонности этих полимеров к окислению полость формы заполняется инертным газом (CO₂, азот). В виду высокой скорости полимеризации длительность процесса формования практически не зависит от толщины стенок формуемого изделия.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое ротационное формование? Преимущества и недостатки.

2. Изделия, получаемые методом ротационного формования.

3. Стадии ротационного формования.

4. Отличие центробежного формования от ротационного.

5. Применение метода центробежного формования.

Практическое занятие № 16

Пропитка заготовок

Цель работы: приобретение знаний о технологиях получения изделий из полимерных композиционных материалах пропиткой.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Суть формования изделия пропиткой заготовок заключается в совмещении операций пропитки наполнителя связующим и формования изделия, что приводит к сокращению временного цикла изготовления изделия, энерго- и трудозатрат и, как следствие, удешевлению технологии. В настоящее время существуют три основных технологии получе­ния изделий из ПКМ пропиткой: пропитка под давлением (технология RTM), инфузионная пропитка под вакуумом (технология VARTM) и пропитка пленочным связующим (технология RFI).

16.1. Пропитка под давлением

Суть метода пропитки под давлением заключается в следующем: армиру­ющий наполнитель в необходимом количестве укладывается в форму, которая герметично запирается, и в ней с помощью вакуум-насоса создается вакуум. После этого через дренажную систему под давле­нием в форму подается связующее (рис. 1).

Рис. 1. Схема процесса пропитки под давлением

Процесс про­питки идет до тех пор, пока связующее не за­полнит все свободное пространство формы. Сигналом для прекращения пропитки является заполнение связующим (без пузырей воздуха) выходных трубок дренажной системы. После пропитки форму помещают в печь или пресс, где происходит отверждение изделия. В слу­чае использования в качестве связующего ком­позиций холодного отверждения процесс фор­мования проходит при нормальной температуре.

К преимуществам такого метода можно от­нести отсутствие необходимости в дорогостоя­щем оборудовании, высокое качество внешней и внутренней поверхностей изделия, высокая однородность и прочность материала, хорошие условия труда (от­сутствует непосредственный контакт человека со связующим), возможность изготовления изделий сложной формы, возможность использо­вания трехосно-армированных наполнителей и относительно невысокая стоимость процесса.

Наряду с преимуществами у процесса про­питки под давлением есть недостатки, основны­ми из которых являются длительность процесса и зависимость качества изделия от правильнос­ти расположения трубок дренажной системы, а также конструктивная сложность и высокая стоимость оснастки.

Однако, несмотря на это, метод пропитки под давлением широко применяется в авиакос­мической технике для изготовления лопастей винто-вентиляторных дви­гателей, лопатки турбореактивных двигателей, монолитные обтекатели, элементы механиза­ции крыла, различные изделия сложной формы и т.д.

16.2. Инфузионная пропитка под вакуумом

Технология инфузионной пропитки под вакуу­мом по своей сути близка к технологии пропитки под давлением, однако имеет ряд сущест­венных отличий. Так, пропитка наполнителя и формова­ние изделия происходит не в закрытой форме типа матрица /пуансон, а на оснастке с закреп­ленным на ней вакуумным мешком (рис. 2).

Рис. 2. Схема пропитки методом вакуумной инфузии

Технология инфузионного формования заключается в пропитке сухого наполнителя с использованием вакуумного давления, создаваемого в полости оснастки. Под действием перепада давлений между полостью оснастки и емкостью со связующим последнее движется от емкости к точке подсоединения вакуумной линии с полостью оснастки, пропитывая наполнитель. Перепад давления не превышает 0,095 МПа, а значит, снижаются требования к жесткости оснастки. Стоимость и сложность оснастки существенно снижается.

К основным недостаткам данного метода относятся: трудности воспроизводимости процесса, так как требуется тщательная отработка технологии, которая позволила бы получать изделия со стабильными геометрическими и физико-механическими характеристиками. Это связано с тем, что формование происходит не в закрытой форме (как в случае использования технологии RTM), а под вакуумным мешком. Таким образом, на толщину детали будет влиять объем связующего, закачанного под вакуумный мешок, а также равномерность давления по площади формуемого изделия. Контролировать и задавать количество связующего, поступающего в заготовку, довольно затруднительно, так как в настоящее время механизмы процесса пропитки наполнителя связующим при технологии вакуумной инфузии мало изучены. Несмотря на это, метод вакуумной инфузии является главной альтернативой контактного формования при изготовлении товаров народного потребления, деталей автомобилей. Данная технология также активно развивается в авиационной отрасли. Ведущие мировые авиастроительные компании ведут научно-исследовательские работы, направленные на изучение возможности изготовления по технологии вакуумной инфузии силовых и особо ответственных конструкций самолетов, таких как крыло, детали хвостового оперения и т.д.

Так же, как и в технологиях RTM и VARTM, в технологии RFI процесс пропитки на­полнителя связующим совмещен с процессом формования изделия. Однако в случае техноло­гии RFI пропитка наполнителя осуществляется не в продольном, а в поперечном направлении, что значительно сокращает время про­питки и путь, который необ­ходимо преодолеть связующему.

16.3. Пропитка пленочным связующим

Технология получения композиционных изделий методом RFI заключается в выкладывании связующего в виде пленки на оснастку совместно с пакетом сухого наполнителя. После изготовления вакуумного мешка оснастка помещается в термопечь, в которой происходит расплавление пленочного связующего и пропитка слоев армирующего наполнителя (рис. 3).

Рис. 3. Схема пропитки пленочным связующим

Избыточное давление через вакуумный мешок воздействует на пакет наполнителя и вдавливает его в расплавленное связующее. Толщину пленочного связующего выбирают из условия заданного объемного содержания наполнителя в пакете. Для толстых пакетов слои связующего чередуют с заданным количеством слоев наполнителя. Иногда процесс происходит без применения термопечи и пропитка смолой происходит за счет вакуума без нагрева. После формирования изделие высыхает, а затем извлекается из формы и подвергается последующей механической обработке.

На процесс пропитки армирующего наполнителя влияет большое количество характеристик связующего и самого наполнителя. Так, структура армирующего наполнителя, тип используемого волокна, применяемое в ходе технологического процесса давление влияют на скорость и качество пропитки. Также на процесс пропитки влияют реологические свойства связующего (уровень и изменение вязкости во времени, жизнеспособность при температуре пропитки) и его химический состав.

Следует отметить основные недостатки тех­нологии пропитки пленочными связующими. Одним из недостатков данной технологии яв­ляется достаточно жесткое требование к реологическим свойствам связующего. Свя­зующее должно обладать достаточно низкой вязкостью в процессе пропитки и достаточно высокой вязкостью, обеспечива­ющей возможность существования связующего в виде пленки при нормальной температуре.

Вторым недостатком метода RFI являет­ся сложность компьютерного моделирования процесса пропитки. Это связано с тем, что в ходе пропитки растекание связующего происходит во всех трех направлениях и пос­троение математической модели течения свя­зующего в заготовке является весьма сложной задачей. В то же время с технологиями пропит­ки под давлением и вакуумной инфузии таких трудностей не возникает, так как течение свя­зующего в ходе пропитки происходит только в двух направлениях, что заметно упрощает математическую модель описания данного про­цесса. Стоит отметить, что сегодня технологии компьютерного моделирования широко при­меняются при разработке оснастки и отработке технологий изготовления изделий методами RTM и VARTM. Применение ком­пьютерного моделирования позволяет существенно сократить материальные и временные затраты на разработку технологии и освоение производства изделий из ПКМ.

При всех вышеописанных недостатках тех­нология RFI обладает рядом пре­имуществ.

Так, ряд пленочных связующих, применяе­мых сегодня, обладает реологическими харак­теристиками, позволяющими изготавливать изделия из ПКМ вакуумным методом. Таким образом, отпадает необходимость в при­обретении автоклава (стоимость которого мо­жет доходить до нескольких миллионов долла­ров) и дорогостоящей оснастки.

Еще одним несомненным преимуществом метода RFI получения изделий из ПКМ является возможность изготовления изделий с заданным объемным содержанием наполнителя в ПКМ и, как следствие, с за­данными геометрическими и физико-механическими характеристиками. Это связано с тем, что связующее в виде пленки заранее уклады­вается на оснастку в требуемом количестве, что позволяет достичь в ПКМ заданного соотношения наполнитель/матрица. При этом для получения ПКМ с заданными характерис­тиками нет необходимости в использовании до­рогостоящей формы закрытого типа (как в слу­чае использования технологии RTM), обеспе­чивающей необходимую толщину и геометрию изделия. Для технологии RFI вполне подходят оснастки открытого типа, аналогичные при­меняемым для изготовления изделий из ПКМ методом вакуумной инфузии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите основные технологии получе­ния изделий из ПКМ пропиткой.

2. Пропитка под давлением. Преимущества и недостатки.

3. Инфузионная пропитка под вакуумом. Преимущества и недостатки.

4. Пропитка пленочным связующим. Преимущества и недостатки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Нелюб, В. А. Применение прямых методов формования при производстве крупногабаритных деталей из стеклопластиков / В. А. Нелюб, Д. В. Гращенков, Д. И. Коган, И. А. Соколов // Химическая технология. – 2012. – Т. 13. – № 12. – С. 735-739.

Практическое занятие № 17

Выбор метода формования из условий нагруженности изделий

Цель работы: научиться выбирать оптимальный метод формования изделий в зависимости от условий их нагруженности.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

По условиям эксплуатации изделия условно можно разделить на четыре группы: неответственные, слабонагруженные, ответственные и высоконагруженные. Прочность изделий из ПКМ зависит, в первую очередь, от следующих факторов:

а) характеристик арматуры и матрицы;

б) рационально выбранных направлений армирования (укладки арматуры);

в) объемного содержания связующего и наполнителя;

г) сцепления арматуры и связующего.

Если условия а) и б) обеспечиваются на этапе проектирования изделия, то условия в) и г) могут быть реализованы только при правильном выборе метода формования.

На рис. 1 представлена качественная зависимость прочности изделия из ПКМ от объемного содержания наполнителя, а также указаны методы формования, позволяющие реализовывать заданное объемное наполнение.

Рис. 1. Качественная зависимость прочности от объемного

содержания наполнителя для изделия из полимерного композиционного материала

Рассмотрим сначала два крайних случая объемного содержания наполнителя.

Если в изделии V = 0 (то есть арматура отсутствует), то прочность изделия будет определяться прочностью матрицы σ_м.

Другой крайний случай соответствует отсутствию связующего.

Очевидно, что достигнуть в изделии прочности отдельной нити арматуры σ_а невозможно, т.к. в реальном изделии всегда присутствует связующее с меньшей прочностью. Кроме того, значительная часть волокон ориентирована не по направлению действия сил (рис. 2, а).

Рис. 2. Восприятие усилий волокнами арматуры:

а – ортогональное армирование; б – однонаправленное

Даже в случае однонаправленного армирования не все нити одновременно включаются в работу, т.к. некоторые из них искривлены (рис. 2, б).

Для неответственных изделий содержание наполнителя может быть небольшим (V = 0,35-0,45 и для них достаточно контактного формования (зона А на рис. 1).

Слабонагруженные изделия имеют V = 0,45-0,55 и получаются вакуумированием (зона B на рис. 1).

Ответственные изделия требуют объемного содержания арматуры порядка 0,55-0,65 (зона C на рис. 1). Для них необходимо использовать формование в автоклавах, терморасширяющейся резиной и в пресс-камерах.

Высоконагруженные изделия имеют V = 0,65-0,75 и получаются при прессовом формовании в штампах, в гидроклавах и пресс-камерах (зона D на рис. 1).

Таким образом, для повышения V, то есть более плотной упаковки арматуры и вытеснения связующего, необходимо выбирать схемы формования, обеспечивающие высокое давление на препрег. Повышение давления при формовании выше оптимального давления может привести к тому, что не будет хватать связующего для сцепления арматуры. В результате этого нарушается связь между волокнами, и прочность материала падает.

На выбор метода формования в значительной степени влияет толщина пакета препрега и структура армирующей ткани. Например, при параллельной укладке лент из однонаправленных волокон (рис. 3, а) для получения плотной паковки требуется меньшее давление, чем при формовании пакета из тканей полотняного или сатинового плетения (рис. 3, б).