Режим автоклавного формования. Формование с помощью вакуумного мешка. Технологическая оснастка для изготовления изделий из композитов

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 .

Для производства из препрегов многослойных изделий используется технология автоклавного формования. Название метод получил, благодаря использованию автоклава, который позволяет обрабатывать внешнюю часть детали при высоком давлении. Изначально технология находила применение для фиксации деталей при производстве изделий для самолетов. В форму укладывают препрег или пакет, состоящий из нескольких слоев. Вместе с формой препрег помещается в вакуумный мешок, где происходит постепенное снижение давления. Формование с помощью вакуумного мешка представляет собой метод, который предполагает отверждение изделия путем создания градиента давления по отношению к обычному атмосферному давлению.

Этапы автоклавного формования:

• Заданное количество слоев препрега укладывается на форму.
• Отверждение осуществляется в автоклаве под высоким давлением и при высокой температуре.
• Отвержденные изделия подвергаются обработке: зачистке, отделке.

Вакуумный мешок зачастую применяется для отверждения в автоклаве. Основные свойства изделия определяются типом мешка, методом выкладки препрега.

Специфика технологии автоклавного формования

Применение вакуумного мешка дает возможность получить изделия из стеклопластика высокого качества с низким показателем пористости. Поверхность изделий отличается высоким качеством. С помощью технологии можно формовать крупногабаритные изделия. Особенностью метода является возможность получать детали равномерной толщины.

Технология имеет свои недочеты: стоимость метода высока, производство трудоемко, не подходит для массового изготовления деталей. Но эффективность технологии неоспорима при выпуске деталей из легких стеклопластиков.

Снизить стоимость процесса производства и изготавливаемых методом деталей можно путем автоматизации отдельных операций, механизации процесса. Для вакуумных мешков стоит подобрать иные материалы, что также повлияет на стоимость изделий. Неоднократно можно применять мешки из силиконового каучука. В процессе производства важно точно подобрать температурные показатели и уровень давления, так как данные параметры влияют на свойства детали.

Стоит помнить, что применение вакуумных мешков связано с пожароопасностью. Несоблюдение требований безопасности может стать причиной взрывов и возгорания в процессе автоклавного формования. Для обеспечения безопасности можно использовать инертную газовую среду с содержанием азота.

Технологическая оснастка для изготовления изделий из композитов

Формы для формования деталей

В практике производства изделий из композитов используются два типа форм: негативные и позитивные. Первые обеспечивают получение изделий с гладкой с более точной внешней поверхностью, а позитивные позволяют изготовлять изделия с гладкой и точной внутренней поверх­ностью. В негативных формах изготовляют детали с хорошим внешним видом и аэродинамическими качествами. Зато формы позитивного типа во многих случаях оказываются более удобными для формования.

Оснастка для формования деталей выполняется из стали, сплавов алюминия, дерева, гипса, цемента, стеклопластика или комбинации этих материалов. Формы изготовляют макетным или безмакетным спо­собом. При макетном используется специальная модель, поверхности которой воспроизводятся при изготовлении формы контактным спосо­бом. Формообразование рабочих поверхностей формы при безмакет­ном методе осуществляется либо с помощью специальных шаблонов, либо механической обработкой.

Металлические формы применяют, главным образом, при исполь­зовании высоких давлений формования, например, при автоклавном и пресс-камерном методах формования. Металлические формы дорогие, имеют большой вес и очень трудоемки в изготовлении, поэтому они применяются в исключительных случаях. Следует отметить, что сталь­ные рабочие поверхности имеют лучшие эксплуатационные качества, более износостойки и долговечны, имеют меньшее температурное рас­ширение, чем из легких сплавов алюминия.

На стальных поверхностях легче получить высокую чистоту обра­ботки. Поэтому целесообразно формы изготовлять из гипса или цемен­та, а рабочие поверхности облицовывать листовым металлом. В еди­ничном и опытном производстве формы часто изготовляют из дерева. Несмотря на экономичность такого использования, применение дерева ограничивается зависимостью геометрии и размеров деревянных форм от влажности и температуры атмосферы. Рабочие поверхности деревянной оснастки покрывают нитрошпаклевкой , шлифуют и затем окра­шивают с помощью пульверизатора нитрокраской темного цвета. После сушки в течение 10-12 час. при температуре 18-22 ° С покрашенные по­верхности полируют полировочной пастой. В мелкосерийном и серий­ном производстве для увеличения срока службы деревянных моделей их рабочие поверхности футеруют стеклопластиком. Толщина облицо­вочного стеклопластикового слоя должна быть порядка 5-10 мм. Рас­пространение получили также стеклопластиковые формы, изготовляе­мые по макету (рис. 1).

Рис. 1. Макетный способ изготовления негативной формы:

1 - макет (модель); 2 - стеклопластиковая облицовка; 3 - каркас

Для повышения жесткости стеклопластиковых форм и придания им высоких эксплуатационных качеств применяются металлические карка­сы, сваренные из уголков или труб, пластмассовые каркасы, склеенные из стеклопластиковых труб или швеллеров, и сплошные или полые ос­нования (станины), отливаемые из цемента, смолопесчаной массы и алебастра Особенно широко для изготовления форм применяется гипс, алебастр, например, для производства форм многоразового действия и для изготовления разрушаемых форм одноразового действия. В произ­водстве крупногабаритных деталей сложной геометрии после формова­ ния возникают трудности извлечения или снятия готового изделия с формы. Для того, чтобы сделать возможным демонтаж изделия, форма выполняется разборной или разрушаемой.

Разборные формы являются оснасткой многоразового использова­ния, но технологические возможности ее ограничиваются способностью формования не очень сложных внутренних поверхностей, да и сама разборная оснастка сложна по конструкции, дорога и менее точна.

Для формования сложных замкнутых полостей и внутренних эле­ментов единственно возможными являются разрушаемые формы одно­ разового использования. В практике производства крупногабаритных изделий для этих целей используют гипсовые формы, болванки и оп­равки. В качестве конструкционного материала применяют медицинский гипс.

При сложной конфигурации формующих поверхностей, затрудняю­ щих демонтаж макета без разрушения гипсовой формы, последняя из­готовляется сборной из нескольких простых частей. Для изготовления средних и крупных форм, а также оснований (станин) металлических и стеклопластиковых форм вместо гипса может применяться песчаная формовочная масса. Точность размеров и геометрических форм долж­на быть не ниже точности соответствующих размеров формуемых из­делий.

Цулаги , вакуум-чехлы и дренажи

Чтобы обеспечить высокую точность и качество поверхностей формуемых оболочек, не соприкасающихся с рабочими поверхностями форм, используют легкие оболочки обратного профиля - цулаги . Цулага должна быть жесткой, прочной, не коробиться под действием усилий формования и температурного расширения материала. Вместе с тем, она должна быть легкой и удобной в обращении. Поэтому на практике используются металлические тонкостенные и стеклопластиковые цула­ги . Точность размеров и геометрия рабочей поверхности цулаги опре­деляется точностью соответствующих поверхностей формуемых дета­лей. Толщина стенок металлической оболочки цулаги , изготовленной из алюминиевого сплава, составляет 2,5-5 мм. При очень больших габари­ тах для увеличения жесткости цулага подкрепляется стрингерношпан-гоутным набором. Стеклопластиковые цулаги имеют толщину 2-5 мм и при необходимости усиливаются ребрами жесткости.

Вакуумные чехлы для упругого формования изделий изготовляют из термостойкой резины, а также из прорезиненной баллонной ткани. Лист резины или баллонной ткани раскраивается по форме изделия и склеивается клеем. В полученный таким образом вакуумный чехол мон­ тируется штуцер для подключения к вакуумному насосу. Дренажные слои изготовляют из стеклоткани и полисилоксановой резины. Резину нарезают небольшими кусочками и заливают бензином на 12 часов. Со­ став резиновой смеси: резина - 100, бензин - 400-500 вес.ч . Получен ным раствором пропитывают стеклоткань. После этого прорезиненную дренажную ткань подвергают термообработке при температуре 120- 160 ° С в течение 5-6 час.

Формующий инструмент

Основной инструмент при формовании изделий из композитов - малярные кисти, с помощью которых наносится связующее , катки для уплотнения арматуры и удаления воздуха и избытка связующего(рис. 2) и ножи для раскроя арматуры.

Рис. 2. Катки для уплотнения пропитанного материала

Оправки для намотки

Для получения цилиндрических и конических изделий с открытым торцом можно применять полые и сплошные оправки из стали или алюминия. При намотке изделий заодно с торцовой крышкой, например, сосудов высокого давления, особое внимание должно быть уделено конструкции оправки и выбору материала для нее. При правильно вы­бранной конструкции значительно снижаются повреждения волокон и отклонения размеров детали, уменьшаются остаточные напряжения. Оправка должна сохранять достаточную прочность при отверждении связующего при повышенных температурах и легко удаляться после отверждения. Основные принципы конструирования оправок и выбора материалов для них заключаются в учете следующих факторов:

1. Состоящая из отдельных частей разборная конструкция. Дорогая и не оправдывает себя при получении менее 25 деталей. Оптимальный диаметр 910... 1520 мм. Снятие оправки усложняется при маленьких полюсных отверстиях.

2. Низкоплавкие сплавы. Их применение ограничено небольшими сосудами, диаметр и длина которых не превышает 300 мм каждый.

3. Растворимый алебастр. Продолжительное время находится в пластичном состоянии, может стираться по периметру, легко вымыва ется.

4. Хрупкий или ломающийся алебастр. Наиболее пригоден для получения изделий большого диаметра. Требуется внутреннее крепление, разбивание осуществляется с трудом и может повредить изделие.

5. Смесь песка с поливиниловым спиртом. Наиболее пригоден для изделий диаметром до 1500 мм, выпускаемых в небольших количест вах. Он легко растворяется в горячей воде, но требует тщательного контролирования процесса формования.

Формирование

Формирование - операция по получению из композиционного ма­териала изделия заданной формы и размеров, состоящая из следую­ щих этапов: распределение на формообразующей поверхности исход­ных компонентов - армирующих материалов и связующего, приложение тепла и давления, сопровождающееся полимеризацией и отверждени­ем материала в готовое изделие.

Реализация операций формирования может осуществляться раз­личными методами: ручной выкладкой, напылением, контактным фор­мированием в прессформах , автоклавным и вакуумным формировани­ем, намоткой, плетением, пултрузией и ролтрузией , комбинированными способами.

Первой стадией при формировании изделия из композиционного материала является нанесение на формообразующую поверхность (матрицу, оправку, пуансон, форму и т.п.) антиадгезионного покрытия, в качестве которого используются: парафин, поливиниловый спирт, сила-ны , силоксаны, антиадгизионные плёнки и т.д. Выбор покрытия зависит от типа формуемой поверхности, связующего, а также от необходимо­сти отделочных операций.

Следующая стадия процесса формования - распределение арми­рующего материала и связующего на обработанную антиадгезивом по­ верхность.

Ручная выкладка

При ручной выкладке армирующий материал - мат, ткань, пряжа, ровинг - разрезают на мерные куски, а при необходимости обрезают по шаблону, пропитывают предварительно подготовленным связующим и укладывают в форму требуемое число слоев для достижения расчётной толщины изделия (рис. 3).

Для уплотнения материала по форме и удаления пузырьков возду­ ха используют прикаточные валики и щетки. Затем форма помещается в тепловой агрегат, где производится процесс отверждения по регла­менту соответствующему используемому связующему. После отвер­ждения изделие извлекают из формы, производят обрезку кромок, зачи­стку и другие финишные операции. Этот метод целесообразно исполь­зовать в мелкосерийном производстве изделий сложной формы, к кото­рым предъявляются невысокие требования по прочности.

Рис. 3. Элементы конструкции формы и изделия

при формовании ручной выкладкой:

1 - форма; 2 - разделительная пленка; 3 - наружный смоляной слой;

4 - стекловолокно; 5 - ручной валик; 6 - смола в смеси с катализатором

Нанесение покрытия напылением

Измельченное волокно и связующее одновременно вводятся в от­крытую форму или на нее. При использовании, например, стекловолок­ на ровинг проходит через рубильное устройство и вдувается в поток смолы, который направляется в форму распылительной системой с на­ ружным или внутренним смешением компонентов (рис. 4).

Рис. 4. Безвоздушная система напыления с двумя ёмкостями:

1 - ровинг ; 2 - смола с катализатором; 3 - рубильное устройство;

4 - смола с ускорителем; 5 - уплотненный слой; 6 - валик; 7 – форма

При этом одна распылительная головка впрыскивает смолу, пред­варительно смешанную с катализатором, или только катализатор, в то время как вторая головка впрыскивает заранее полученную смесь смо­лы с ускорителем. Смола и катализатор подаются в смесительную ка­ меру распылителя позади единственной распылительной головки. В обоих случаях полимерная композиция предварительно покрывает стекловолокно, и объединенный поток равномерно распыляется опера­ тором в форме по заданной схеме.

После введения в форму смеси смолы со стекловолокном образо­вавшийся слой прикатывают вручную для удаления воздуха, уплотне­ ния волокон и получения гладкой поверхности. Технология отверждения и обрезки кромок аналогична применяемой при формовании ручной ук­ ладки.

Процессы упругого формования конструкций

К преимуществам упругого формования крупногабаритных изделий относится технологическая простота методов, возможность производст­ва высокопрочных и герметичных изделий при использовании сравни­тельно простой и дешевой технологической оснастки и оборудования. Методы упругого формования позволяют изготовлять конструкции лю­бого профиля и конфигурации.

Равномерное приложение упругого давления перпендикулярно формуемой стенке в процессе производства позволяет обеспечить вы­сокую объемную плотность структуры и монолитность материала, с по­вышением которых возрастают механические свойства готового мате­риала, прочность и надежность изделий.

В настоящее время нашли применение следующие основные ме­тоды упругого формования: вакуумное, автоклавное, пресскамерное , центробежное. Обычно эти методы применяются в качестве оконча­тельных технологических операций, за исключением центробежного формования, которое часто используется как предварительная техно­логическая операция.

При выборе метода упругого формования следует иметь в виду, что физико-механические свойства материала в значительной степени зависят от типа арматуры, полимерного связующего и параметров тех­нологического процесса (контактного давления формования, технологи­ческого натяжения стеклоарматуры и температуры формования.

Экспериментально установлено, что определяющим технологиче­ским параметром упругого формования является контактное давление.

Температура формования должна подбираться таким образом, чтобы была обеспечена оптимальная технологическая вязкость свя­зующего. Однако при повышенной вязкости ухудшается качество про­питки арматуры или наполнителя, в результате чего уменьшается плот­ность и механические свойства готовых стеклопластиков. При вязкости меньше оптимальной происходит отжим связующего из структуры мате­риала при формовании изделий на выступающих поверхностях и реб­рах, что приводит к неоднородности механических характеристик изде­лий и снижению их герметичности. Обычно оптимальная температура формования подбирается опытным путем в зависимости от конструк­тивных особенностей изделия, типа арматуры, связующего, оборудова­ния и т.п. с учетом конкретной производственной обстановки.

Метод вакуумного формования

Вакуумное формование применяется обычно в опытном и мелкосе­рийном производстве и состоит из трех технологических операций: 1) получение заготовки; 2) упругое обжатие этой заготовки с помощью резинового мешка под вакуумом; 3) отверждение.

Давление, создаваемое при вакуумном формовании, составляет 0,5-0,8 кГ /см 2 . Технологически операция вакуумного формования вы­полняется в следующем порядке (рис. 5). На форму позитивного или негативного типа, поверхности которой покрыты разделительным слоем смазки или пленки, наносится декоративный слой полимерного связую­щего. Затем после некоторой выдержки наносится второй слой связую­щего, и поверх него выкладывается в соответствии с заданной схемой армирования арматура.

При изготовлении крупногабаритных изделий для увеличения про­изводительности и снижения трудоемкости формования в качестве ар­матуры применяют ткани, а в качестве наполнителя - маты. Нанесенный слой материала прикатывается формующим роликом для качест­венной пропитки и равномерной плотности структуры по всему сечению стенки готового изделия. Далее многократно повторяется нанесение слоя связующего и арматуры с прикаткой до получения заданной тол­щины стенки формуемого изделия, но не более 8-10 мм. Сверху на от­формованную заготовку накладывается слой целлофана, что придает готовому изделию хороший внешний вид. На этом заканчивается пер­вый технологический переход операции упругого вакуумного формова­ния для предварительного получения заготовки изделия. Первый тех­нологический переход целесообразно выделить как самостоятельную операцию предварительного формования. Это позволит вместо трудо­емкого и вредного ручного контактного формования организовать высо­копроизводительное и автоматизированное производство заготовок ме­тодами предварительного формования: обмоткой, центробежным спо­собом, насасыванием, напылением и т.п.

Рис. 5. Схема вакуумного формования:

1 - резиновая диафрагма; 2 - изделие; 3 - форма

Вторым технологическим переходом является вакуумная опрессовка изделия. Для этого полученная заготовка покрывается дренажным слоем прорезиненной стеклоткани, а затем резиновым чехлом, который герметизируется по краям и подсоединяется к шлангу вакуум-насоса. Сборка помещается в термокамеру , после чего под чехлом создается вакуум. Величина вакуума определяется типом связующего, термиче­скими режимами отверждения и, главное, конструктивными формами изделия. Чем больше вакуум, тем при прочих равных условиях плотнее получается структура материала, выше его прочность и герметичность. Однако величина вакуума ограничивается возможностями вакуум-установок . С уменьшением используемого вакуума увеличивается срок службы вакуумных насосов. Обычно величина вакуума, создаваемого под чехлом, должна быть не менее 160 мм рт. ст.

Третий технологический переход - отверждение отформованного изделия. Термический режим отверждения под вакуумом зависит от марки используемого связующего и в каждом отдельном случае уста­навливается соответствующим регламентом технологического процесса.

Достоинством вакуумного формования является его технологиче­ская простота, несложность оснастки и оборудования. Однако недоста­точная плотность и сравнительно невысокая механическая прочность пластиков, получаемых при вакуумном формовании, не позволяют ис­пользовать его для изготовления крупногабаритных деталей с толщи­ной стенок более 8-10 мм. Точность геометрических размеров готовых изделий определяется точностью соответствующих размеров техноло­гической оснастки, ее жесткостью и температурными деформациями.

Метод автоклавного упругого формования

Для получения высокоточных и прочных изделий при формовании глубоких профилей и поверхностей сложной конфигурации недостаточ­но контактного давления упругого формования, создаваемого только за счет вакуума под резиновым чехлом. Однако наличие герметичного уп­ ругого чехла на формуемом изделии позволяет создать дополнитель­ное давление за счет увеличения наружного давления на чехол. При этом сборка для вакуумного формования помещается не в термошкаф , а в автоклав, где, помимо заданного температурного режима, создается высокое давление, которое, прижимая чехол к формуемой заготовке, уплотняет ее (рис. 6). В автоклав, подается пар, вода или сжатый воз­дух, с помощью которых давление доводится до заданной технологиче­ским регламентом величины.

Таким образом, при упругом формовании автоклавным методом должны выполняться следующие технологические этапы (переходы): предварительное формование полуфабриката, вакуумирование , авто­клавная опрессовка , отверждение. Последние два этапа технологически совмещены.

Полученная одним из методов предварительного формования за­готовка надевается на жесткую форму, дренажируется слоем прорези­ненной ткани, покрывается резиновым чехлом, герметизируется и по­ступает в автоклав. Вначале создается вакуум для удаления воздуха из-под герметизированного чехла. Кроме того, вакуум повышает качест­ во пропитки с арматуры, улучшая герметичность и механические свой­ства изделия. Через 20-30 мин. в автоклаве медленно поднимается давление до 1 атм , после чего вакуум снимается и давление повышается до расчетного. Величина автоклавного давления зависит от формы изделия, толщины его стенок, используемой арматуры, связующего и принимается в пределах 5-25 кГ /см 2 . Изделия, отформованные авто­ клавным способом, имеют весьма высокие прочностные характеристики.

Рис. 6. Схема автоклавного формования

Метод упругого формования применяется в том случае, когда к из­ делиям предъявляются повышенные требования в отношении герме­тичности и прочности.

Пленочное формование является разновидностью метода упругого формования. Отличается оно тем, что вместо резинового чехла и дре­нажных слоев прорезиненной ткани применяют прозрачную бесшовную пленку из поливинилового спирта, изготовленную из одного листа и скроенную по форме изделия. При этом внешняя поверхность изделия получается гладкой, блестящей, без складок, морщин и пузырей.

Метод пресс-камерного формования

Этот метод основан на использовании жесткой формы негативного типа (пресс-камеры ) и упругого (надувного) пуансона (рис. 7). Внеш­няя поверхность стеклопластикового изделия оформляется поверхно­стью жесткой формы, а внутренняя - упругим резиновым чехлом.

Рис. 7. Схема пресс-камерного формования:

1 - эластичная диафрагма; 2 - крышка формы; 3 - канал для подачи сжатого

газа; 4 - боковое выпускное отверстие; 5 - канал для соединения с атмосферой

или вакуумом; 6 - композиционный материал; 7 – дренаж

Предварительно отформованное изделие помещается в жесткую пресс-камерную форму, стенки которой способны выдержать большие внутренние давления. Внутрь заготовки вводится резиновый чехол, прикрепленный к верхней плите пресс-камеры и герметично заделан­ный. Плита жестко скрепляется с пресс-камерой, после чего в пресс-камеру подается сжатый воздух пар или вода, которые создают рабочее давление упругого формования от 1,5 до 5 кГ /см 2 . Однако воздух, ос­тавшийся между чехлом и формуемой массой полуфабриката изделия, может скапливаться в застойных зонах и при формовании диффунди­ровать в структуру материала. Это не позволяет получить качественной поверхности, плотности, герметичности и отрицательно сказывается на механической прочности. Поэтому для повышения качества пресс-камерного формования рекомендуется применять вакуумный отсос воздуха из-под резинового чехла.

Таким образом, технологическая структура операции пресс-камер­ного формования выглядит так: предварительное формование полу­фабриката, вакуумирование (при необходимости), нагнетание рабочей среды в упругий пуансон пресс-камеры, отверждение. В условиях се­рийного производства данный способ позволяет получать изделия вы­сокой прочности и герметичности.

Методы жесткого формования

Для получения крупногабаритных изделий с высокой точностью размеров, геометрических форм и взаимного расположения поверхно­стей при высоком качестве и чистоте как наружных, так и внутренних поверхностей рекомендуется применять методы жесткого формования.

При жестком формовании в зависимости от конструктивной сложности геометрии изделия плотность и механические свойства готового мате­риала не всегда получаются одинаковыми, но уровень этих показателей достаточно высок, благодаря чему механическая прочность деталей мало уступает прочности изделий, полученных методом упругого фор­мования. Однако при жестком формовании несколько усложняется и удорожается стоимость технологической оснастки. Поэтому этот метод рекомендуется использовать в серийном и крупносерийном производ­стве.

Структурные критерии и механические свойства пластиков при же­стком формовании изделий зависят от типа используемых арматуры и связующего, конфигурации изделия и технологических параметров про­цесса формования и отверждения. В частности, конфигурация изделия оказывает непосредственное влияние на величину контактного давле­ния (рис. 8).

Рис. 8. Технологическая схема жесткого

формования с помощью цулаги

При рабочем движении жесткого формующего элемента, который, в отличие от пуансона матрицы, принято называть цулагой , создается требуемая величина контактного давления N . При этом, если считать, что вертикальная составляющая этого давления q будет величиной по­стоянной в любом горизонтальном сечении, т.е. q = const по высоте из­делия, то контактное давление, перпендикулярное к формуемой стенке, будет зависеть от угла γ, образуемого нормалью к поверхности цулаги и плоскостью горизонтального сечения:

Таким образом, в силу зависимости N от геометрии детали и непо­стоянства его даже в пределах одной и той же поверхности в качестве технологического параметра следует принять контактное давление же­сткого формования q на горизонтальную проекцию поверхности фор­мования S :

где Р - сила, действующая на цулагу .

С увеличением температуры формования t улучшается формуемость , уменьшается величина усилий Р и контактного давления формо­вания в плане q , поскольку с увеличением температуры уменьшается технологическая вязкость и когезия связующего, но повышается качест­во пропитки и его аутогезия . Однако при повышенных температурах формования вследствие низкой вязкости возможен отжим связующего из структуры материала и уменьшение его процентного содержания в пластике. По этой же причине возможно передавливание арматуры, не­одинаковая плотность и большая неоднородность механических свойств в готовом изделии. Поэтому величина температуры должна быть строго регламентирована в зависимости от типа связующего, ар­матуры, давления формования и геометрии изделия. Большое влияние на плотность и прочность изделий оказывает величина контактного давления жесткого формования.

Компрессионное формование с помощью жесткой цулаги

При компрессионном формовании крупногабаритных изделий ис­пользуются жесткие формы негативного и позитивного типа. Рабочие поверхности формы покрываются слоем антиадгезионной разделитель­ной смазки или пленки. Затем подготовленная таким образом поверх­ность формы покрывается ровным слоем связующего . В связующее при этом могут быть добавлены пигменты, поскольку данный слой является декоративным. Это позволит получить хорошие глянцевые поверхности желаемого цвета. Спустя несколько минут наносят слой связующего, на который выкладывают слой арматуры или наполнителя. Далее контакт­ным или другим методом получают предварительно отформованную заготовку и монтируют ее в форме.

На открытую поверхность массы укладывается целлофановая пленка, а на нее - дренажные разделительные слои в виде прорези­ненной ткани или специально изготовленного чехла. Затем устанавли­вается жесткая металлическая цулага , рабочая поверхность которой повторяет профиль и размеры соответствующих поверхностей готового изделия с учетом температурных деформаций формы, изделия и уса­дочных явлений и т.п. Для окончательного формования изделия извест­ны методы нагружения с помощью вакуумного чехла или автоклавный способ. В обоих случаях поверх цулаги надевается и герметизируется резиновый чехол, изготовленный по внешнему контуру цулаги . В таком виде сборка подается в автоклав, и тогда давление жесткого формова­ния будет равно давлению рабочей среды в автоклаве, т.е. q =q n .

Однако для повышения качества формования, плотности и герме­тичности структуры, улучшения чистоты внешних поверхностей изделия и увеличения его механической прочности целесообразно наряду с ав­токлавным давлением применять вакуумирование объема формы.

Предварительное формование полуфабриката;

Окончательное компрессионное формование изделия;

Отверждение.

При компрессионном формовании вакуумным способом под герме­тизирующим чехлом создается разрежение 400-500 мм.р т.ст . Это по­зволяет изготовлять качественные, прочные и точные изделия только с малой толщиной стенок, ибо благодаря этому удается обеспечить дос­таточно высокую плотность структуры. Такие изделия после компресси­онного вакуумирования и отверждения имеют высокие точность разме­ров и чистоту поверхности.

Для повышения точности изделий, формуемых компрессионным методом, необходимо строго регламентировать критерии предвари­тельного формования (размеры, плотность и т.п.) и технологические параметры окончательного формования, а также применять высокие Давления компрессии, регламентировать рабочее перемещение цулаги при формовании.

Метод жесткого формования в замкнутых формах

Когда к изделиям предъявляются повышенные требования по точ­ности размеров и геометрических форм, рекомендуется применять ме­тод формования сухого полуфабриката в жесткой разъемной форме с последующей пропиткой материала путем нагнетания или инжекции связующего в замкнутую форму. Технологически это выполняется сле­дующим образом. Изготовляется полуфабрикат из арматуры (или на­полнителя), имеющий форму изделия. Для сохранения формы, приданной полуфабрикату, в структуру добавляют несколько процентов связующего для скрепления волокон арматуры. Просушенный полуфабрикат монти­руется в форме, рабочие поверхности которой предварительно покрыты антиадгезионным составом. После замыкания формы волокнистый по­луфабрикат оказывается заключенным в жестком объеме, имеющем размеры и геометрию высокой точности. Далее из формы удаляют воз­дух и пространство между ее поверхностями и волокнами полуфабри­ката заполняют полимерным связующим (методом нагнетания или вса­сывания).

По схеме пропитки всасыванием с помощью вакуума, требуется соответствующая герметизация формы. Под дей­ствием вакуума из формы сначала удаляется основная масса воздуха. Затем происходит всасывание жидкого связующего до тех пор, пока оно не пропитает всю массу полуфабриката и не начнет перетекать через штуцер слива. Штуцер, к которому подключается вакуум-насос, распо­лагается в самой верхней точке формы, связующее подводится по тру­бопроводу от специальных емкостей к самым нижним ее точкам. После пропитки сборка поступает на термическое отверждение.

На рис. 9 показана схема пропитки полуфабриката методом на­гнетания связующего, которая может применяться для связующих горя­ чего и холодного отверждения.

Рис. 9. Формование в замкнутых жестких

формах методом компрессии

В этом случае под действием сжатого воздуха или другим способом смола с инициатором нагнетается в замкнутую полость формы в самой нижней ее точке. Пропитав волокнистую массу полуфабриката, поли­мерная смола с воздушными включениями (пузырями) перекачивается через сливной штуцер, установленный в самой верхней точке формы, до полного удаления пузырьков воздуха.

После этого в форму подают смесь с ускорителем и инициатором. Связующее вытесняет предыдущую порцию смолы и обеспечивает ка­чественную пропитку материала.

Таким образом, технологическая структура формования в жесткой замкнутой форме крупногабаритных деталей с инжекционной пропиткой связующим может быть представлена следующим образом: предвари­тельное формование полуфабриката; инжекционный метод пропитки полуфабриката связующим в замкнутой форме; отверждение.

Данный метод позволяет изготовлять изделия с высокой точностью размеров и геометрических форм и высокой чистотой поверхности. Од­ нако отформованные этим способом изделия будут иметь неоднород­ные плотность структуры и механические свойства. Прочность таких изделий уступает аналогичным деталям, изготовленным методами ком­ прессионного жесткого или упругого автоклавного и пресс-камерного формования.

Недостатком этого метода является сложность и высокая стои­ мость применяемой технологической оснастки.

Намотка волокном

Намотка волокном - сравнительно простой процесс, в котором ар­мирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгут) или нити (пряжи) наматывается на вращающуюся оправку. Специальные меха­низмы, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение арми­рующего материала. Его можно обертывать вокруг оправки в виде при­легающих друг к другу полос или по какому-то повторяющемуся рисунку до полного покрытия поверхности оправки. Последовательные слои на­носятся под одним и тем же или под разными углами намотки, пока не будет набрана нужная толщина. Угол намотки может изменяться от очень малого - продольного - до большого - окружного, т.е. около 90° относительно оси оправки. При «мокрой» намотке связующее наносится в процессе самой намотки. «Сухая» намотка основана на использова­нии ровинга , предварительно пропитанного смолой - препрега . Обычно отверждение идет при повышенной температуре без избыточного дав­ления, и завершающей стадией процесса является снятие изделия с оправки.

Основной процесс имеет множество вариантов, различающихся в широких пределах характером намотки, особенностями конструкции, комбинацией материалов и типом оборудования. Конструкции должны быть намотаны в виде поверхностей вращения, хотя в определенных пределах, могут быть отформованы изделия и другой конфигурации сжатием еще неотвержденной намотанной детали внутри закрытой формы. Конструкции могут быть получены в виде гладких цилиндров, труб или тюбингов диаметром от нескольких сантиметров до нескольких метров. Намоткой можно формовать также изделия сферической, кони­ческой и геодезической формы. Для получения сосудов высокого дав­ления и резервуаров в намотку вводят торцовые заглушки.

Для намотки пригоден практически любой непрерывный армирую­щий материал, а основными материалами для матрицы служат эпок­сидные и полиэфирные смолы и полимеры сложных виниловых эфиров. Для намотки применяются машины различных типов: от разновидностей токарных станков и машин с цепным приводом до более сложных ком­пьютеризованных агрегатов с тремя или четырьмя осями движения.

Процесс намотки. Методы и схемы намотки

Наибольшее распространение получили два основных вида намот­ки: полюсная и спиральная, каждая из которых дает свою характерную схему расположения волокна. При полюсной (плоскостной) намотке оп­равка остается неподвижной, в то время как подающее волокно устрой­ство рычажного типа вращается относительно продольной оси под за­данным углом наклона. После каждого его оборота оправка перемеща­ется вперед на расстояние, соответствующее одной ширине полосы волокон. Такая схема называется однослойной полюсной намоткой (рис. 10). Полосы волокна укладываются впритык одна за другой, го­товый слой состоит из двух сложений, направленных в противополож­ные стороны относительно угла намотки.

Рис. 10. Однослойная полюсная намотка

При спиральной намотке оправка непрерывно вращается, в то вре­мя как каретка, подающая волокно, перемещается возвратно поступа­тельно. Скорость перемещения каретки и частота вращения оправки подбираются такими, чтобы обеспечить заданный угол намотки. При этом обычно спиральная намотка получается многовитковой. После первого прохода намотки полосы волокна не примыкают друг к другу. Для получения повторяющегося рисунка требуется несколько витков. Такая схема намотки показана на рисунке 11.

Находят применение и другие методы намотки.

Окружная намотка. Окружные или круговые слои наматывают под углом, близким к 90 ° , причем за один оборот подающее устройство про­двигается на ширину полосы. Считается, что слой состоит из одного сложения. Окруженные слои можно наносить для дополнительного уси­ления или увеличения жесткости отдельных, наиболее важных мест цилиндра.

Продольная намотка. Этот термин относится к намотке под малы­ми углами, которая может быть плоскостной или спиральной. При получении закрытых сосудов высокого давления минимальный угол опреде­ляется величиной полюсных отверстий с обоих концов.

Рис. 11. Схема спирально винтовой намотки:

1 - оправка; 2 - наматываемая лента; 3 - катушка с лентой

Для повышения качества изделий используют способ ваку-умно-автоклавного формования. Процесс формования осу­ществляется под действием высоких давлений сжатых газов или жидкости на формуемое изделие, вакуумируемое на форме

Рис. 2.13. Схема формования в автоклавах и гидроклавах:

/ - автоклав; 2 - резиновый чехол; 3 - формуемое изделие; 4 - форма; 5 -

плита; 6 - прижимное устройство; 7 - тележка; 8 - винтовой зажим

Ластичным мешком и помещенное в автоклав. Схема вакуум -по-автоклавного формования показана на рис. 2.13.

Автоклавы являются наиболее универсальным оборудова­нием при изготовлении изделий из композитов. Автоклав - герметичный сосуд большого объема, в котором можно созда­вать значительные избыточные давления рабочего тела (возду­ха, инертного газа, азота) в диапазоне от 1 до 3,0 МПа при температурах 150...380 °С. Характеристики автоклавов, приме­няемых в отечественной промышленности, представлены в табл. 2.4.

Таблица 2.4 Технические характеристики автоклавов

Автоклав включает в себя системы подачи рабочего тела в камеру, разогрева до требуемой температуры, регулирования рабочего давления, вакуумную, аварийную для сброса давле­ния, систему автоматизированной записи параметров, а также противопожарную систему (рис. 2.14).

Наличие теплоизоляции корпуса позволяет в процессе ра­боты избежать его разогрева, обеспечивает необходимый запас прочности стенок и нормальную температуру производствен­ных помещений. Температуру в автоклаве повышают после откачки воздуха и заполнения его рабочим телом. Давление в автоклаве снижают только при охлаждении изделия до темпе­ратуры 60...70 °С. Автоклав охлаждается за счет принудитель­ного теплообмена рабочего тела и водяного теплообменника. Температуру отверждаемого изделия измеряют в необходимых точках с помощью хромель-копелевых термопар. Для равно­мерной передачи необходимого давления на формуемый пакет

2.4. Формование с эластичной диафрагмой

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

материала используют вакуумные мешки, герметично закры­вающие формуемое изделие на оправке и соединенные ваку­умной системой автоклава.

Рис. 2.14. Схема автоклава:

/ - теплоизолирующий тепловой корпус; 2 - электронагреватель; 3 - крышка загрузочного люка; 4 - рельсовый путь; 5 - формуемое изделие; 6 - вакуумный мешок; 7 - вакуумная система; 8 - ресивер с азотом; 9 - азотная станция; 10 - вентилятор системы теплообмена; 11 - теплообменник

Процесс вакуумно-автоклавного формования (схема подго­товки формы, порядок укладки слоев пакета заготовки, герме­тизация формы) во многом сходен с вакуумным формованием.

Автоклавный способ формования применяют для изготов­ления конструкций любой формы и габаритов (если позволяют размеры автоклава и не происходит разрушения эластичной диафрагмы под действием внешнего давления).

Вакуумно-пресс-камерное формование

Этот способ основан на передаче давления прессования воздуха через эластичную диафрагму к заготовке, уложенной на жесткую матрицу-форму. Внутренняя поверхность изделия оформляется матрицей, а внешняя - резиновым мешком и цулагой (рис. 2.15). Укладку пакета из ПКМ на форму осу­ществляют вручную с помощью приемов, описанных выше.

Эластичный мешок закрепляют на основании формы, при этом образуется герметично замкнутый объем. Цулагу жестко скрепляют с формой накидными прижимами. Прессование

осуществляется при подаче в мешок сжатого воздуха. Под давлением мешок растягивает­ся в камере и плотно прижи­мается с одной стороны к уло­женной на форме заготовке, а с другой стороны - к поверх­ности цулаги. После чего мат­рицу подвергают нагреву, и изделие отверждается. Режи­мы термообработки и прессо­вания определяются свойства­ми компонентов ПКМ, кон­струкцией и габаритами изде­лия. Обычно давление прессо­вания в камере не превышает 0,5 МПа. Во избежание изме­нения формы готовое изделие охлаждают под давлением, а затем снимают с формы.

Из-за разности давлений внутри эластичного мешка и ок­ружающего воздуха форма испытывает значительные нагрузки. Поэтому формы для пневматического формования делают более прочными и жесткими, чем при вакуумном формовании.

Этим способом можно формовать практически любые во­локнистые и слоистые материалы.

2.5. Особенности конструирования деталей с учетом

технологии контактного формования и формования

с эластичной диафрагмой

Может показаться, что изменить конфигурацию или тол­щину нового изделия достаточно просто. Однако при формо­вании деталей в открытой форме эти изменения необходимо осуществлять с учетом всех возможных последствий.

1. Перед формованием детали материал необходимо уло­жить в форму строго в соответствии с ее очертанием. При наличии острых углов (угол 90° без закруглений) маты не закрывают всю поверхность формы, и за наружным смоляным слоем около углов образуются пузырьки воздуха. При наличии

2.5. Особенности конструирования деталей

внутренних прямых углов, выполненных без закруглений, ма­териал не будет прилегать к поверхности формы. Если же форма имеет наружные прямые углы, КМ также не сможет их плотно охватить.

Для предотвращения этих явлений рекомендуется закруг­лять внутренние и наружные углы по радиусу 3,00... 10,00 мм. В этом случае КМ будет полнее следовать очертанию формы, т.е. драпируемость будет лучше. Места резких переходов по­верхности являются зонами концентрации высоких напряже­ний, где может происходить расслоение и растрескивание ма­териала. Очевидно, что в конструкциях следует избегать таких мест и предусматривать самоупрочняющиеся переходные участки умеренного изгиба.

2. Для изменения толщины изделия, формуемого в откры­той форме, следует увеличить (или уменьшить) число слоев материала. При необходимости резких изменений слои следует тщательно укладывать точно в соответствии с очертанием формы, что, однако, увеличивает затраты на ручной труд. В местах утолщений происходит концентрация напряжений и, как следствие, расслоение материала. Поэтому надо избегать появления таких высоконапряженных зон. С этой целью реко­мендуется толщину изделия изменять постепенно, укладывая слои материала ступенчато или как кровельную черепицу.

3. Наиболее удобным для формования следует считать круг­лое отверстие; самым неудобным - отверстие с острыми неза­кругленными углами. Для предотвращения роста напряжений рекомендуется увеличивать радиусы закруглений в углах, а толщину изделия в острых углах увеличивать постепенно или предусматривать фланцы вокруг отверстий.

4. Изделия из ПКМ часто получают соединением несколь­ких отдельных деталей. Поэтому в зависимости от прочности (от большей к меньшей) следует различать соединения: нахлес-точные, работающие на сдвиг; стыковые; косые нахлесточные, работающие на раздир (на расслаивание).

Нахлесточные соединения являются самыми легкими и ши­роко используемыми при изготовлении деталей из ПКМ (рис. 2.16, а). Их форма и особенности нагружения (на сдвиг) предполагают применение клеев, что обеспечивает максималь­ную прочность соединения. Разрушение нахлесточного соеди-

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

нения под действием напряжений сдвига происходит тогда, когда при возрастании нагрузки оно начинает работать на раздир.

При увеличении нагрузки происходит поворот места соеди­нения, при этом действующие силы располагаются на одной оси (см. рис. 2.16, а). Этот поворот приводит к изгибанию материала и расслаиванию его на концах нахлеста. Если нагрузки продолжают расти, расслаивающие напряжения могут превысить адгезионную прочность, и соединение быстро разрушится. Од­нако если края нахлеста скошены, жесткость конструкции умень­шается и в результате повышается прочность соединения без увеличения площади его поверхности. Более того, при надлежа­щей подготовке материалов можно получить еще более высокие значения прочности при той же поверхности сдвига, выполнив соединение деталей вскос ("в ус") (см. рис.2.16, б).

Рис. 2.16. Примеры технологических соединений при склеивании

материалов:

а - нахлестанное; б - вскос (в "ус"); в - стыковое: 1 - слой клея;

2, 3 - жесткие материалы; 4 - промежуточный слой

Стыковое соединение со слоем клея и промежуточными слоями используют при склеивании жестких материалов, оно работает только на растяжение (рис. 2.16, в). Прочность его обычно колеблется от низких до средних значений, и ее легко

Соединение, работающее на раздир, представляет собой конструкцию, в которой напряжения концентрируются вдоль линии, по которой один склеиваемый материал отгибается от другого, в результате чего в материалах возникают неуравно­вешенные растягивающие напряжения (см. рис. 2.16, в). В таком соединении под нагрузкой оказывается только тот учас­ток клеевого шва, который находится в точке расслаивания, а остальные участки шва остаются ненагруженными до тех пор, пока до них не дойдет зона расслаивания.

5. Минимальный угол технологического уклона должен со­ставлять 2° (нулевой уклон - только в разъемных формах). Поднутрения не желательны, допускаются только в разъемных и резиновых формах.

6. Минимальную реальную толщину изделий при формова­нии ручной укладкой слоев следует задавать 0,8 мм, при на­пылении - 1,5 мм. Максимальная реальная толщина, в прин­ципе, не ограничивается, но с учетом отверждения должна составлять 8... 10 мм. Стандартная разнотолщинность: при фор­мовании ручной укладкой слоев - от +0,8 до -0,4 мм и при напылении - от +0,64 до -0,64 мм. Максимальное увеличение толщины не ограничивается.

2.6. Формообразование да

1. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Пропитка под давлением

Сущность этого метода формования заключается в том, что связующее подают под давлением к нижнему отверстию формы и постепенно оно заполняет пространство между матрицей и пуансоном, вытесняя воздух из материала, уложенного на мат­рицу (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Схема пропитки пакета материала под давлением:

/ - пуансон; 2 - пакет материала; 3 - матрица; 4 ~ бачок со связующим;

5 - установка для подогрева органического теплоносителя; 6 - компрессор

Способность смолы растекаться в замкнутом объеме формы под действием давления используют для изготовления изделий с простой симметричной формой. Этот способ формообразо­вания позволяет получать конструкции с высокой точностью геометрических размеров, постоянной плотностью по объему материала стенки, при этом стенка драктически не будет иметь пустот или местных расслоений. Такие требования необходимо выполнять, например, при изготовлении различных типов об­текателей ЛА. В этой области метод и получил наиболее ши­рокое применение.

Способ изготовления форм для пропитки отличается от способа изготовления форм для контактного формования, он более трудоемкий, поскольку требуется обеспечить с высокой точностью зазор между матрицей и пуансоном, равный толщи­не стенки изделия. Поэтому для изготовления металлических и неметаллических форм, применяют модель из того же мате­риала и с такой же толщиной стенок, как и у изделия. Эту модель обычно формуют на гипсовой оправке, и она является точным объемным макетом поверхности изделия. Одновремен­но модель служит технологической оснасткой для изготовления нижней части формы (матрицы) и верхней части (пуансона).

2.6. Формообразование давлением

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Толщины стенок матрицы и пуансона для конкретного изделия определяют экспериментальным путем.

Подготока поверхностей матрицы и пуансона заключается в нанесении антиадгезивных смазок или разделительных пле­нок так же, как и в случае контактного формования. Сухой армирующий материал выкладывают на матрицу до закрытия ее верхней частью формы и свинчивания.

Перед пропиткой материал, уложенный между позитивной и негативной формами, следует высушить. Для сушки через форму пропускают поток горячего воздуха, подаваемый от ка­лорифера. В некоторых случаях для малогабаритных изделий осуществляют "промывку" армирующего материала той же смолой, которая входит в состав связующего. Таким образом удаляют пузырьки воздуха из материала и тем самым устраняют опасность образования в изделии незаполненных смолой участ­ков. Однако для крупногабаритных изделий операция "про­мывки" экономически не выгодна.

Давление связующего в процессе пропитки, воздействуя на стенки матрицы и пуансона, расширяет зазор между ними и способствует равномерному заполнению связующим армирую­щего материала. Поэтому в данном случае небольшая нерав­номерность при укладке материала на матрицу не имеет суще­ственного значения. Скорость подъема связующего по форме ограничена условиями качественной пропитки. Если эту ско­рость превысить, то связующее зальет воздушные пузырьки до того, как они отделятся от волокна. Тогда пузырьки можно удалить только путем "промывки" новой порцией чистой смолы; такая промывка настолька длительна, что полностью обесценивает все другие преимущества процесса.

Для качественной пропитки следует регулировать и контро­лировать температуру, вязкость и скорость, с которой подни­мается связующее.

После того, как связующее появляется в выводных отверс­тиях в верхней части формы, подачу связующего прекращают, и с целью ускорения процесса отверждения форму начинают обогревать. В некоторых случаях пропитку материала осущест­вляют в уже разогретой форме, для чего используют соответ­ствующие обогревательные устройства. Иногда в качестве на­гревателя используют медную проволоку, обмотанную вокруг

формы. В ряде случаев отверждение изделий проводят в печах, в которые помещают форму. Параметры отверждения опреде­ляются типом применяемого связующего.

В том случае, когда требуется обеспечить высокую произ­водительность процесса, применяют короткие рубленые волок­на (50...70 мм), предварительно отформованные по форме из­делия. Однако в этом случае невозможно получить высоко­прочный материал.

Пропитка в вакууме

Процесс формования изделий пропиткой в вакууме (техно­логия подготовки формы, укладки материала заготовки) ана­логичен процессу формования пропиткой под давлением. Схема вакуумной пропитки показана на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Схема формования:

/ - связующее; 2 - запорное устройство; 3 - пуансон; 4 - смотровое стекло; 5 - вакуумная система; 6 - бачок для излишков связующего; 7 - заготовка; 8 - матрица; 9 - канал для прохождения связующего; 10 - эластичная прокладка

При использовании вакуума элементы формы должны быть достаточно жесткими для предотвращения сдавливания арми­рующего материала и нарушения свободного протекания смолы при возможном сплющивании матрицы или пуансона. Если

материал *по форме расположен неравномерно, то через неко­торые уплотненные участки смола проходить не будет, и эти участки останутся непропитанными. По мере приближения смолы к верхнему выводному отверстию необходимо для обес­печения дальнейшего ее движения увеличивать вакуум.

2.7. Формообразование прессованием в формах

В общем случае метод формования изделий прессованием -это процесс, при котором материал в пресс-форме принимает заданную конфигурацию, определяемую матрицей и пуансо­ном, причем отверждение его происходит в форме.

В настоящее время около 50 % всех изделий из армирован­ных пластмасс получают этим методом. Его применяют в том случае, когда требуются высокая производительность, точность и воспроизводимость деталей. При этом достигается высокое качество изделий при минимальной стоимости. Но даже если объем производства невелик, например при получении деталей аэрокосмических аппаратов и других изделий с высокими экс­плуатационными свойствами, требования к точности и воспро­изводимости деталей заставляют использовать методы формо­вания в пресс-формах.

Для всех случаев формования используют пресс-формы. Форма или комплект формующих деталей обычно состоит из двух основных частей: матрицы и пуансона, причем одна из них входит в другую при смыкании формы с соблюдением заданного зазора между ними, равного толщине формуемой детали.

В зависимости от применяемого армирующего материала, конструкции формы, способа загрузки материала в форму раз­личают три основных метода формообразования изделий из ПКМ: прямое прессование; литьевое прессование; термоком­прессионное прессование. Особенности технологии изготовле­ния деталей этими методами описаны ниже.

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Прямое прессование

Этот метод прессования является одним из наиболее рас­пространенных в производстве изделий прессованием. Метод прямого прессования армированных композиций несуществен­но отличается от формования пластмасс. Главное различие заключается в природе самого материала, из которого прессу­ется деталь. Вместо свободно текущих смол или порошков на формование поступает липкая волокнистая масса, таблетиро-ванные ПКМ, пропитанные маты, ткани или предварительно отформованные заготовки из ПКМ либо премиксы.

Премикс - армированная волокном термореактивная ком­позиция, которая после получения не нуждается в дальнейшем отверждении и может быть отформована при приложении дав­ления, достаточного только для те­чения и уплотнения материала.

Для прессования изделий из ПКМ в большинстве случаев при­меняют гидравлические прессы, так как они обеспечивают постоянное давление на прессуемую деталь в те­чение всего времени прессования и, кроме того, они проще и надежней в эксплуатации, чем механические прессы. Гидравлические прессы приводятся в действие давлением жидкости (воды или масла), пода­ваемой насосом в цилиндр пресса.

Обычно используют гидравли­ческие прессы с одним рабочим цилиндром (с нижним или верх­ним расположением) или с двумя рабочими цилиндрами (вертикаль­ные и угловые).

На рис. 2.19 показана схема устройства гидравлического пресса с нижним расположением рабочего цилиндра.

Верхняя плита и станина прес­са, связанные между собой колон-

2.7. Формообразование прессованием в формах

нами, воспринимают усилие пресса, развиваемое плунжером рабочего цилиндра. Установленная на нижнюю подвижную плиту пресс-форма с загруженным в нее материалом при подъ­еме плунжера прижимается к верхней неподвижной плите, и материал в пресс-форме подвергается прессованию. При пре­кращении подачи воды в рабочий цилиндр и сообщении его со сливной магистралью плунжер пресса и подвижная плита силой своего веса вытесняют жидкость из рабочего цилиндра и опускаются.

Прессы с нижним давлением чаще всего используют для прессования изделий в съемных пресс-формах. Такие прессы иногда имеют промежуточные подвижные плиты, которые на­зывают этажными.

Для нагревания съемных пресс-форм на нижней подвижной плите и верхней неподвижной плите пресса закрепляют обо­гревательные плиты, изолированные с опорной поверхности теплоизоляционными прокладками. Промежуточные подвиж­ные плиты этажных прессов также имеют обогрев.

Прессы с верхним расположением рабочего цилиндра, т.е. прессы с верхним давлением (рис. 2.20), применяют главным образом для прямого прессования деталей из ПКМ в стацио­нарных пресс-формах. Отличие этих прессов от прессов с нижним рабочим давлением состоит в том, что они имеют вспомогательные цилиндры обратного хода (ретурные цилинд­ры) и цилиндр выталкивателя, закрепленные на нижней непо­движной плите. Ретурные цилиндры служат для подъема по­движных рабочих частей пресса - верхней подвижной плиты и плунжера. Цилиндр выталкивателя обеспечивает извлечение отпрессованных деталей из пресс-формы. Прессы с верхним расположением рабочего цилиндра, как правило, бывают толь­ко одноэтажные.

Основным элементом технологического оснащения процес­са прессования является пресс-форма, сложность и стоимость которой определяют качество и себестоимость изделий.

Пресс-формы в соответствии с методом прессования под­разделяют на пресс-формы для обычного прессования (ком­прессионные) и литьевые для литьевого прессования; согласно характеру эксплуатации - на съемные, полусъемные и стаци­онарные в зависимости от числа оформляющих гнезд (числа

одновременно прессуемых деталей) - на одногнездовые и многогнездовые.

В соответствии с принципом устройства оформляющего гнезда пресс-формы для прямого прессования подразделяют на открытые, полузакрытые и закрытые пресс-формы.

Рис. 2.20. Схема устройства гидрав­лического пресса с верхним располо­жением рабочего цилиндра: 1 - станина (нижняя подвижная плита или рабочий стол); 2 - колон­на; 3 - верхняя неподвижная плита (головка); 4 - рабочий цилиндр; 5-плунжер; 6 - верхняя подвижная плита; 7- упоры; 8 - пазы в верхней подвижной и нижней неподвижной плитах для закрепления пресс-формы; 9 - выталкиватель; 10 - ци­линдры обратного хода (ретурные цилиндры); // -опорные рамы; 12- цилиндр выталкивателя

Пресс-формы открытого типа (рис. 2.21). Такие пресс-формы не имеют загрузочной камеры, уплотнение прессуемого в них материала достигается за счет трения, которое возникает при вытекании материала из оформляющего гнезда через зазор между пуансоном и матрицей. Поэтому для прессования в открытой пресс-форме необходим значительный избыток ма­териала (до 10...15 %).

2.7. Формообразование прессованием в формах

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

изменяется по мере уменьше­ния зазора между пуансоном и матрицей и зависит от свойств материала, то применение от­крытых пресс-форм для прес­сования изделий из термореак­тивных пластических масс воз­можно только в случае прессо­вания несложных изделий с не­большой высотой вертикаль­ных стенок. Детали, отпрессованные в открытых пресс-формах, имеют низкую точность по высоте.

Пресс-формы полузакрытого типа, или пресс-формы с пере­теканием (рис. 2.22). В них, как и в пресс-формах открытого типа, необходимое уплотнение достигается за счет трения, возникающего при вытекании материала из оформляющего гнезда. Однако зазор, через который вытекает материал, рег­ламентирован и остается практически постоянным в течение всего процесса формования. Такие пресс-формы обеспечивают большую степень уплотнения прессуемого материала, чем пресс-формы открытого типа, что позволяет оформлять в них сложные детали. В полузакрытых пресс-формах матрицы имеют

надпрессовочное пространство - загрузочную камеру, являю­щуюся продолжением оформляющего гнезда.

Загрузочная камера служит для того, чтобы поместить в нее навеску пресс-материала. Для прессования в полузакрытых пресс-формах необходим меньший избыток материала, чем при прессовании в открытых пресс-формах.

Полузакрытые пресс-формы применяют главным образом для прессования изделий из пластических масс.

Рис. 2.23. Схема пресс-формы закрытого типа; 1 - пуансон; 2 - матрица

Закрытые (поршневые) пресс-формы (рис. 2.23). Характерно, что во время прессования материал прак­тически не вытекает из оформляющего гнезда. Очертания пуансона таких пресс-форм в плане точно соответству­ют очертаниям изделия. Это услож­няет изготовление пресс-форм и обу­словливает их сравнительно низкую эксплуатационную стойкость. Одна­ко в таких пресс-формах достигается большее уплотнение ма­териала при постоянном давлении на него со стороны пуансона в течение всего времени прессования. При прессовании в закрытых пресс-формах необходимо точно выбрать навеску прессуемого материала. Для промышленного производства в основном применяют металлические пресс-формы, изготов­ленные из износостойкой закаленной стали типа 4X13, У8А, ХВГ, 12ХНЗА, У10А и других.

Качество поверхности пресс-форм для изготовления арми­рованных композиций необязательно должно быть высоким. Наличие наполнителей накладывает определенные ограниче­ния на шероховатость и глянец прессованного изделия неза­висимо от качества полированной поверхности формы. Тем не менее для защиты формы от коррозии, лучшего отделения готовых изделий, удаления следов инструментов от механичес­кой обработки ее поверхность желательно хромировать (тол­щина покрытия 10...25 мкм).

Для проведения опытных запрессовок или для прессования нескольких изделий возможно использование деревянных, пластмассовых или гипсовых форм. При небольших давлениях прессования формы можно изготавливать из цветных сплавов

2.7. Формообразование прессованием в формах

методом литья, но они имеют короткий срок службы, хотя и более дешевы, чем стальные.

Стадия извлечения изделий из формы является самой кри­тической в процессе формования. Для облегчения этой опера­ции, во-первых, необходимо на этапе разработки конструкции учитывать технологию ее изготовления, а во-вторых, применять антиадгезионные смазки или разделительные материалы, кото­рые препятствуют прилипанию изделия к поверхности формы.

Материалы, употребляемые в качестве антиадгезивов, можно подразделить на два типа:

пленочные материалы или растворы, образующие защитную пленку;

жидкие или твердые вещества, размягчающиеся при темпе­ратуре прессования и не образующие непрерывной пленки.

К первой группе относятся растворы поливинилового спир­та в воде, растворы альгината натрия, целлофан, лавсан, фто­ропласт и другие материалы. Во всех случаях пленка оказывает влияние на образование дефектов поверхности отформованно­го изделия.

Вторую группу составляют смазывающие пленки, более удобные для нанесения на оснастку: воск, парафин, кремний-органические смазки (типа К-21), нефтяные остатки и т.п.

При выборе антиадгезивов необходимо учитывать темпера­туру формования и воздействие их на связующее формуемого изделия.

Основными параметрами процессов прессования являются температура, давление, время.

Полуфабрикат в процессе формования необходимо нагре­вать до определенной температуры, чтобы придать ему требуе­мую пластичность, т.е. способность к формообразованию. Для термореактивных ПКМ нагревание необходимо также и для отверждения. Однако возможность повышения температуры формования всегда ограничена температурой деструкции и раз­ложением связующих. Нагрев и охлаждение крупногабаритных изделий осуществляется нагревателями, расположенными в пресс-формах. В других случаях нагревательные устройства могут быть расположены как в самих пресс-формах, так и вне - в верхней и нижней плитах пресса. Время отверждения изделий

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

должно быть всегда больше времени, необходимого для запол­нения материалом данной пресс-формы.

В процессе формования давление необходимо для уплотне­ния разогретого пластичного материала и придания ему кон­фигурации изделия. Давление на материал должно оказываться в течение всего времени, пока отформованное изделие не по­теряет пластичность и не станет твердым в результате нагрева (для термореактивных композиций) или в результате охлажде­ния (для композиций на основе термопластов).

Время процесса определяется скоростью разогрева материа­ла до пластического состояния и, главным образом, скоростью отверждения или скоростью охлаждения.

Указанные три основные параметра процесса формова­ния - температура, давление, время - взаимосвязаны. Изме­нение одного параметра влечет за собой изменение других. Например, повышение температуры формования термопластов улучшает их пластичность и, сле­довательно, уменьшает необходи­мое давление и длительность формования.

Основные параметры процесса определяют в каждом конкретном случае в зависимости от компо­нентов ПКМ, схемы армирования композита, геометрии и формы из­делия и отрабатывают опытным путем.

Прямое прессование (рис. 2.24) заключается в том, что тот или иной прессовочный материал по­мещают в матрицу, нагретую до температуры формования, на ко­торый действует давление Р верхней половины пресс-формы - пуансона, нагретой до такой же температуры. Под воз­действием температуры материал приобретает необходимую плас­тичность и под давлением рас­пределяется по оформляющей

2.7. Формообразование прессованием в формах

полости, заполняя ее. Полное закрытие формы (замыкание) происходит в момент окончательного оформления детали. Замыкание пресс-формы осуществляется с малой скоростью, чтобы воздушные включения были вытеснены из полости. Отформованное изделие выдерживают в пресс-форме под давлением в течение некоторого времени, необходимого для охлаждения термопластичного композита или нагрева термо­реактивного материала, после чего пресс-форму открывают, и изделие извлекают с помощью выталкивателя с усилием р в.

При неправильном выборе режимов прессования или нека­чественных материалах в изделиях могут появиться следующие дефекты: пузырьки воздуха вокруг выступающих участков на поверхности детали; места, содержащие недостаточное количест­во связующего из-за избытка армирующего наполнителя; рас­трескивание связующего и места, содержащие его избыток; ма­товая поверхность и пятна на изделии.

Каждый дефект имеет свои причины возникновения; реко­мендации по их устранению обычно отражают в таком доку­менте, как технологический регламент.

Рассмотрим особенности прямого прессования.

а. При оформлении детали можно запрессовать в нее раз­
нообразную арматуру (винты, гайки, стержни и т.п.), которая
будет прочно удерживаться в детали.

б. Прогревание материала происходит постепенно от сте­
нок нагретой пресс-формы вглубь, и, следовательно, в про­
цессе формования изделия различные слои материала могут
иметь разную температуру.

в. Разность температуры по толщине изделия приводит к
образованию внутренних напряжений и дефектов в результате
неравномерного протекания процесса отверждения или вулка­
низации.

г. Имеется опасность повреждения тонких и малопроч­
ных оформляющих элементов пресс-формы или впрессо­
вываемой в деталь арматуры, так как материал под давле­
нием начинает заполнять оформляющую полость еще до
того момента, когда он весь прогреется и приобретет до­
статочную пластичность. Для устранения этой опасности в
большинстве случаев программируют режим давления и
применяют несколько предварительных подпрессовок.

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Кроме того, с помощью подпрессовки удаляют летучие и пары Влаги за короткий промежуток времени начальной стадии от-перждения материала.

д. На отформованных изделиях всегда образуются заусенцы (грат) в плоскости разъема пресс-формы.

Методом прямого прессования можно изготавливать изде­лия из любых материалов, как термопластичных, так и термо­реактивных. Практически этот метод применяют главным об­разом для изготовления деталей из термореактивных КМ. Ис­пользование его для формования деталей из термопластов не­целесообразно, так как в этом случае необходимо попеременно нагревать и охлаждать пресс-форму в течение каждого цикла формования, а это в значительной степени увеличивает дли­тельность процесса.

Примерные режимы прямого прессования деталей, на ко­торые ориентируются при отработке процесса формования, приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5 Примерные режимы прямого прессования

Различные методы пропитки армирующего материала и ре­жимы прессования позволяют получить содержание наполни­теля в композите от 20 до 50 %.

Литьевое прессование

Литьевое прессование заключается в том, что прессуемый материал загружают в загрузочную камеру предварительно зам­кнутой пресс-формы (рис. 2.25). Нагреваясь от стенок загру­зочной камеры и приобретая при этом необходимую пластич­ность, материал под давлением литьевого пуансона поступает через литниковый канал в оформляющую полость пресс-формы

2.7. Формообразование прессованием в формах

и заполняет ее. После выдержки, необходимой для затвердева­ния, пресс-форму раскрывают и извлекают готовое изделие вместе с литниковым остатком.

Рис. 2.25. Схема пресс-формы для литьевого прессования на прессах с одним рабочим цилиндром:

1 - коническая обойма матрицы; 2 - клиновая матрица; 3 - загру­зочная камера; 4- литьевой пуансон; 5 - отформованное изделие; 6- выталкиватель; 7 - литниковый канал

Особенности литьевого прессования состоят в следующем:

а) можно изготавливать детали с малопрочной или сквозной
арматурой и детали с глубокими отверстиями малого диаметра,
так как материал поступает в оформляющую полость пресс-
формы уже в пластичном состоянии и не в состоянии оказать
на оформляющие элементы пресс-формы и впрессовываемую
арматуру значительных сил деформации;

б) процесс формования материала протекает быстрее, чем
при обычном прессовании;

в) в деталях, полученных литьевым прессованием, не воз­
никают большие внутренние напряжения вследствие меньшего
перепада температур по толщине стенок детали;

г) на деталях, изготовленных литьевым прессованием, прак­
тически не остается фата, так как оформляющая полость
пресс-формы, образуемая пуансоном и матрицей, плотно за­
мыкается еще до заполнения ее материалом. Точность соблю­
дения размеров деталей при этом методе высокая, а механи-

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

ческая доработка деталей сводится только к отрезке литников и зачистке мест сраза;

д) при литьевом прессовании расходуется больше материа­
ла, чем при прямом прессовании, так как материал заполняет
литниковые каналы и в зафузочной камере запрессовывается
его остаток;

е) пресс-формы для литьевого прессования сложнее и до­
роже пресс-форм для прямого прессования.

Методом литьевого прессования можно изготавливать из­делия из резиновых смесей и порошкообразных пластических масс. Пластмассы с волокнистыми наполнителями теряют до 50 % своей прочности. Слоистые пластики перерабатывать ли­тьевым методом нельзя, так как материал не в состоянии пройти из загрузочной камеры пресс-формы в ее оформляю­щую полость через узкие литниковые каналы.

Пресс-формы для литьевого прессования отличаются от пресс-форм прямого прессования тем, что они имеют зафу-зочную камеру для прессуемого материала, отделенную от оформляющего гнезда и связанную с ним литниковыми кана­лами. Оформляющее гнездо литьевой пресс-формы перед прес­сованием закрывают, а материал в него поступает уже в плас­тичном состоянии из зафузочной камеры по литникам.

Существует два принципиально различных конструктивных варианта литьевых пресс-форм - литьевые пресс-формы для прессования на специальных прессах с двумя рабочими цилинд­рами (рис. 2.26) и литьевые пресс-формы для прессования на обычных прессах с одним рабочим цилиндром (см. рис. 2.25).

Для прессования детали в пресс-форме материал зафужают в загрузочную камеру, затем верхнюю половину пресс-формы опускают на нижнюю и удерживают под давлением плунжера верхнего рабочего цилиндра пресса, чтобы пресс-форма не раскрылась при заполнении материалом. Под действием дав­ления нижнего рабочего плунжера пресса поднимается литье­вой пуансон и выдавливает материал из загрузочной камеры по литникам в оформляющую полость. После окончания прес­сования пресс-форму открывают и изделия выталкивают до­полнительным ходом литьевого пуансона.

Метод позволяет развивать давления прессования до 35... 150 МПа для деталей из термопластов и термореактоплас-

2.7. Формообразование прессованием в формах

Термокомпрессионное прессование С увеличением размеров или усложнением конфигурации и конструкции изделий из термопластичных композиционных материалов резко возрастают трудности по обеспечению тре­буемого качества, так как возможности традиционных методов формования и соответствующей технологической оснастки ог­раничены. Жесткие пресс-формы с увеличением габаритных размеров изделия становятся не рентабельными, повышаются их стоимость и трудоемкость изготовления, кроме того, зачас­тую отсутствуют прессы со столами необходимых размеров. Процесс формования с помощью эластичных мембран при температурах свыше 180 °С затруднен за счет их недостаточной надежности, ограниченного числа циклов формования (как правило, 1-3 цикла) и, как следствие, увеличения брака. По

Усилие замыкания

Рис. 2.26. Схема пресс-формы для литьевого прессования на прессах с двумя рабочими ци­линдрами:

/ - литьевой пуансон; 2 - загру­зочная камера; 3 - плоскость разъема; 4 - изделие; 5 - литни­ковые каналы; 6, 7 - верхняя и нижняя части матрицы

тов соответственно и получать более сложные и точные по кон­фигурации детали. Этому способ­ствует и более высокая, по срав­нению с прямым прессованием, температура нагрева, снижающая вязкость материала и ускоряющая время формования.

Режим течения размягченного материала через литниковый канал матрицы не только прибли­жает этот процесс к литью, но и способствует более однородному прогреву материала и снижению тем самым уровня остаточных внутренних напряжений в стенках детали. К недостаткам метода можно отнести небольшие разме­ры формуемых деталей, сложность изготовления матриц и меньший коэффициент использования ма­териала, чем при прямом прессо­вании.

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

этим причинам большой интерес представляет термокомпрес­сионный метод формования изделий из ТКМ.

Технологическая оснастка для осуществления этого метода (рис. 2.27) состоит из ограничительной части, изготавливаемой, например, из металлов и эластичного формующего элемента (ЭФЭ),

характеризуемого КЛТР в диапазоне (250...500) 10~ 6 °С -1 . Собра­нный пакет формуется в ограничительной части оснастки за счет температурного расширения ЭФЭ при нагревании. Вслед­ствие значительного различия КЛТР материалов ограничитель­ной части оснастки (10...25) 10 °С -1 и ЭФЭ возникает дав­ление формования, под действием которого пакет из ТКМ уплотняется. Если ЭФЭ вставлен в ограничительную часть оснастки с некоторым начальным зазором 5, то нагревание оснастки до определенной температуры сопровождается нарас­танием давления р, которое можно рассчитать, используя фор­мулу

Р = k p ∆T.

Здесь k - коэффициент термокомпрессии материала ЭФЭ, характеризующий прирост давления внутри замкнутого объема, в котором находится ЭФЭ, при его нагреве на 1 °С, МПа/°С:

k p =αE/(1-2μ)

где а, Е , ц - КЛТР, модуль упругости и коэффициент Пуас­сона материала ЭФЭ; ∆ T - разность между текущей темпера­турой Т и температурой T δ , при которой исчезает зазор между

ЭФЭ и ограничительной частью оснастки.

Если считать ограничительную часть оснастки абсолютно жесткой, то для резин к - 0,5...0,7 МПа/°С. Поэтому при нагреве до температуры 300 °С и выше можно создать практи­чески любое давление формования, необходимое для изготов­ления изделий из ТКМ.

Метод термокомпрессионного прессования можно осуще­ствить с использованием двух основных типов технологической оснастки: с постоянным (рис. 2.27, а) и переменным (рис. 2.27, б) объемами формования.

2.7. Формообразование прессованием в формах

Рис. 2.27. Оснастка для термокомпрессионного формования с постоян­ным (а) и переменным (б) объемом:

/ - металлический пуансон; 2 - металлическая матрица; 3 - эластичный формующий элемент; 4 - уплотняемый пакет; 5 - опорные планки; 6 - фиксирующие элементы; 7 - датчик давления; 8 - направляющие колонки-фиксаторы; 9 - упругие тарированные элементы

В первом случае объем оформляющей полости в течение всего цикла формования остается постоянным. Регулируя зазор между ЭФЭ и пакетом ТКМ, можно в широких пределах изменять температуру начала воздействия и конечного уров­ня давления формования.

В оснастке с переменным объемом один из элементов ог­раничительной части выполнен подвижным, но подкреплен упругими тарированными элементами. При повышении давле­ния, заданного упругими тарированными элементами, проис­ходит некоторое перемещение пуансона по колонкам, при этом давление формования сохраняется на заданном уровне.

В оснастке с ЭФЭ можно одновременно формовать и собирать изделия интегральной конструкции, например па­нели различной конфигурации с внутренним силовым набо­ром. Вследствие эластичности материала ЭФЭ и высоких значений КЛТР извлечение ЭФЭ из различных поднутрений осуществляется без особых затруднений. Одновременно обес­печивается качественное уплотнение всех поверхностей, включая поверхности с малым радиусом перехода.

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Повышение температуры переработки конструкционных ТКМ сужает круг выбора материалов ЭФЭ. Особенность экс­плуатации заключается в том, что ЭФЭ находятся в условиях всестороннего сжатия в замкнутом объеме при повышенных температурах. Таким образом, материалы ЭФЭ для переработки ТКМ должны обладать следующими свойствами:

высокой эластичностью, необходимой для передачи давле­ния равномерно по всем направлениям;

стабильностью свойств при длительном нахождении в ус­ловиях замкнутого объема при температурах эксплутации;

значениями КЛТР не ниже 250 Ю -6 °С -1 , постоянными в процессе эксплуатации.

Установлено, что из серийно выпускаемых отечественной промышленностью эластомеров только резины на основе си-локсановых каучуков обладают свойствами, удовлетворяющи­ми предъявляемым требованиям. Составы на их основе обес­печивают различные значения КЛТР, обладают хорошей теп­лопроводностью, высокой стабильностью размеров при много­кратном использовании. При температурах до 200 °С матери­алом ЭФЭ может быть резина на основе силиконового каучука СКТВ-1.

При использовании термокомпрессионного метода прессо­вания можно получать равнотолщинные изделия с качественно отформованными стенками. При этом трудоемкость изготов­ления технологической оснастки снижается, а уровень физи­ко-механических характеристик повышается за счет более рав­номерного распределения давления формования.

Ульяновский научно-технологический центр Всероссийского института авиационных материалов

С середины ХХ века идет активный рост производства полимерных композиционных материалов (ПКМ), согласно прогнозам данная тенденция будет сохраняться и в дальнейшем. Детали из ПКМ широко применяются в различных отраслях деятельности человека, но наибольшее внимание на развитие ПКМ оказывает авиационно-космическая отрасль, где тенденция замены металлов ПКМ в конструкциях ЛА различного назначения актуальна. Это обусловлено свойствами ПКМ: высокой прочностью и жёстокостью, минимальной массой, высокими эксплуатационными свойствами, длительным ресурсом и т.д. . Как в мире, так и в нашей стране накоплен большой опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной техники , что позволяет применять изделия из ПКМ в новых узлах и агрегатах проектируемых самолётов. Так, в самолёте Airbus A-380 центроплан, силовой набор крыла, хвостовое оперение, рули направления и высоты, задний гермошпангоут выполнены из углепластиков . Общая доля полимерных композиционных материалов в данном самолёте составляет около 30% (масс.). У перспективных лайнеров Airbus A350XWB и Boeing 787 Dreamliner помимо вышеперечисленных деталей из ПКМ изготовлены панели крыла, элементы фюзеляжа и другие особо ответственные конструкции, при этом общая доля применения ПКМ составляет более 50% (масс.)

В российской авиационной техники также идёт активное внедрение деталей из ПКМ в таких перспективных разработках как МС-21, МТА и др. В связи с тем, что детали из ПКМ применяемы в ЛА имеют различную геометрию поверхности, габаритные размеры, структуру и назначение, для их производства приходится применять специфические виды переработки.

Для авиационной отрасли наиболее распространённое формование с эластичной диафрагмой вакуум-автоклавное и вакуумное. Вакуум-автоклавное формование схематично изображено на рис. 1.

Для изготовления изделий из ПКМ методом вакуум-автоклавного формования в настоящее время в основном применяют препреговые технологии заключающиеся в следующем :
- предварительно пропитанный армирующий наполнитель (препрег) раскраивают на заготовки;
- выкладывают послойно заготовки препрега на оснастку;
- собирают технологический пакет с применением вспомогательных материалов (плёнка для вакуумного мешка, разделительные плёнки, герметизирующие жгуты, дренажные материалы и др.);
- формование детали в автоклаве.

Процесс автоклавного формования (рис 2) осуществляется под действием давления сжатых газов или жидкостей на формуемое изделие, что обеспечивает высокий уровень физико-механических свойств и низкую пористость получаемых пластиков.

Однако данный процесс обладает рядом недостатков: является очень энергоёмким; оборудование для формования (автоклав) имеет высокую стоимость; необходимо применение дорогостоящей оснастки и технологических материалов, которые должны быть работоспособны при температурах до 180 С и давлениях до 0,7 МПа. Кроме того, ввиду увеличения количества деталей из ПКМ в объёме конструкции ЛА до 50% и выше, а также увеличение количества выпускаемых самолётов, возникает необходимость массового производства деталей из ПКМ, что требует применения большого количества автоклавов. В связи с этим всё более распространенным способом изготовления слабонагруженных изделий из ПКМ становиться вакуумное формование (рис 2).

Получаемые таким образом изделия, в виду приложения меньшего внешнего давления формования, проигрывают по эксплуатационным характеристикам пластикам, получаемым автоклавным методом.

Для повышения качества изделий из ПКМ наряду с препреговым методом используют «прямые» процессы пропитки наполнителя: «VARTM» (vacuum assisted resin transfer molding) – технология пропитки наполнителя связующим с последующим отверждением под вакуумным мешком. Заложенный в зазор между оснасткой и вакуумным мешком наполнитель, за счёт созданного под мешком разряжения, пропитывается жидким связующим поступающим под мешок из ёмкости по литьевым трубкам с последующим формованием композиции .

«RFI» (Resin Film Infusion) – процесс формования с использованием плёночного связующего, разработан для изготовления крупногабаритных конструкций из ПКМ. При использовании метода RFI для пропитки наполнителя применяется расплав связующего в виде плёнки. Толщина плёнки зависит от массы смолы требующейся для пропитки заданного объёма наполнителя. На плёнку уложенную на оснастку помещается наполнитель. Заложенный между пуансоном и матрицей пакет помещают в вакуумный мешок для пропитки и отверждения с приложением давления. Пропитка наполнителя происходит в процессе нагрева за счёт снижения вязкости связующего и воздействия вакуумного давления .

Но следует отметить, что указанные технологии изготовления деталей из ПКМ не гарантируют получение низкопористых ПКМ, это связано с состоянием связующего, наполнителя, протеканием режима отверждения и т.д. в процессе их формования. Одним из важнейших условий получения качественных пластиков с заданным уровнем механических и эксплуатационных свойств является уменьшение их пористости за счёт снижения факторов влияющих на пористость деталей из ПКМ на всех этапах их изготовления.

Рассмотрим пути повышения качества деталей из ПКМ полученных методом вакуумного формования, при:
_ изготовлении связующего;
_ пропитке наполнителя;
_ отверждении детали.

Изготовление связующих
Технические связующие (смолы) содержат примеси низкомолекулярных веществ – не прореагировавших или побочных продуктов синтеза. Помимо летучих веществ от низкомолекулярных продуктов растворителей смолы содержат воздух, растворенные инертные газы и частицы влаги, ухудшающие качество отвержденных материалов, в следствии нарушения монолитности полимерной матрицы. Для уменьшения содержания данных веществ используют термовакуумирование смол в термокамере, что способствует дегазация и удалению примесей летучих веществ из смол . Более эффективным является метод очистки смол от низкомолекулярных веществ в плёночном дистилляторе, при этом процесс дегазации и очистки смол от летучих веществ, происходит в тонких плёнках, при повышенных температурах под вакуумом, что способствует интенсификации процесса, удаляется 76-96 % примесей летучих веществ, в зависимости от количества раз их перегонки .

В зарубежной литературе описана также система непрерывной дегазации связующего непосредственно перед пропиткой наполнителя. Данная система встроена в канал подачи связующего .

Существует так же метод ультразвуковой обработки эпоксидных связующих для интенсификации удаления летучих веществ присутствующих в них. Кроме того, вибровоздействие на связующее в процессе обработки приводит к повышению адгезии связующего к арамидному волокну и к возрастанию прочности ПКМ .

Для большей эффективности дегазации (деаэрации) применяют различные добавки типа BYK способствующие удалении газов из связующих. Применение таких добавок также способствует диспергации отвердителя в связующем, что улучшает свойства отверждённых пластиков. Стоит отметить, что встречаются связующие которые и после длительного термовакуумирования и форполимеризации продолжают выделять летучие вещества (продукты реакции отверждения), для их переработки приемлем только метод вакуум-автоклавного формования.

Пропитка наполнителя
Как отмечалось ранее в большинстве случаев изготовление ПКМ ведётся с использованием препрегов, поэтому снижение содержания летучих веществ в препреге на стадии его изготовления тоже немаловажная задача. Изготовление препрегов путём пропитки наполнителя окунанием в ванну с жидким пропитывающим составом (раствором или расплавом) широко распространенная технологическая схема. Однако с повышением вязкости связующего (особенно в расплаве) число воздушных включений, т.е. непропитанных каналов, возрастает. При некотором критическом значении воздушные каналы становятся непрерывными, т.е. сердцевина жгута остается непропитанной - сухой жгут оказывается в полимерной «рубашке». Для борьбы с данной проблемой применяются различные технологические решения: перегибы наполнителя в пропиточной ванне; некапиллярная пропитка (расширение жгута); отжим связующего через валы и др. .

Для оптимизации процессов пропитки необходимо применение связующих с определёнными реологическими свойствами, обеспечивающие наилучшее смачивание волокон наполнителя. За счёт варьирования составов композиций, их молекулярных характеристик (молекулярной массы-ММ, молекулярно-массового распределения ММР, фракционного состава, средней молекулярной массы - ММср) осуществляется изменение реологических (вязкостных) свойств связующих, что также даёт возможность регулировать процесс отверждения, усадку, структуру полимерной матрицы и свойства ПКМ на их основе .

Для получения препрега с минимальным содержанием летучих веществ известен способ вакуумной пропитки наполнителя расплавным методом. При этом весь процесс пропитки происходит в вакуумной камере, что обеспечивает удаление летучих веществ из препрега и сводит на нет риск захлопывания воздуха в жгуте наполнителя .

Применение ультразвукового воздействия на препрег обеспечивает более качественная пропитку наполнителя и интенсифицирует процесс удаления летучих веществ и воздуха из препрега . Это происходит в результате разогрева связующего энергией, переносимой УЗК, при этом уменьшается его вязкость, оно прогоняется через слой материала на противоположную сторону.

Так же описан метод с дозированным посыпанием на поверхность армирующего наполнителя связующего в виде порошка, в котором минимальное количество летучих веществ, с последующей выкладкой слоёв в пакет и его формованием под прессом.

Известен метод двухстадийного изготовления препрега с использованием расплава связующего в виде плёнки, с пониженным содержанием летучих веществ. На первой стадии изготавливается плёночное связующее на разделительной бумаге. На второй - изготовленное плёночное связующее прикатывается к армирующему наполнителю но не пропитывает его (семипреги), что улучшает деаэрацию на стадии вакуумировании технологического пакета.

Известен способ обработки препрега высоким давлением (0,8-3,5 тыс. атм.), что позволяет повысить прочность композиционного материала и уровень реализации прочности армирующего волокна .

В свою очередь наполнители различных типов также имеют на поверхности включения веществ (замасливатели, примеси, сорбированную влагу), которые влияют на качестве пластика. Для их удаления с поверхности волокон используется метод термообработки наполнителя перед пропиткой их связующим . Этот процесс можно сочетать с действием ультразвука на волокно, что интенсифицирует процесс и активирует поверхность волокон .

Так же для большей эффективности применяют термовакуумирование наполнителя, то есть сушка в вакуумной камере. Цель вакуумирования и сушки заключается в удалении летучих веществ и влаги из микротрещин и межволоконного пространства в нитях наполнителя для свободного проникновения в них связующего.

Очистка стекловолокнистого наполнителя тлеющим разрядом, что позволяет получать высококачественные и водостойкие пластики из-за повышения адгезии на границе волокно-матрица .

Отверждение детали
Наиболее ответственной и важной в технологическом процессе изготовления изделий из ПКМ является операция отверждения, так как на этой стадии формируются основные физико-механические свойства, состав, структура и геометрические характеристики изделия .

Совместная работа полимерной матрицы и армирующих элементов в стеклопластиках обеспечивается наличием качественной (без пор) границей раздела фаз. Взаимодействие полимерной матрицы с поверхностью стекловолокна определяет особенности структуры граничного слоя, расположение макромолекул в граничных слоях, а также подвижность молекулярных цепей, их релаксационные и другие свойства, что в целом влияет на эксплуатационные свойства изделий из ПКМ. При изучении поверхностных явлений в макромолекулярных системах необходимо использование теоретических моделей, которые позволяют давать априорные оценки поведения молекулярных цепей в граничном слое и возможных способах управления процессами, происходящими на границах раздела в полимерных композитах с целью создания ПКМ с комплексом требуемых свойств .

Для выбора температурного режима отверждения изделий из ПКМ учёные активно исследуют кинетику отверждения связующих различными методами : электрическим, вискозиметрией, ИК-спектроскопией, ультразвуковым, термическим анализом. Данные исследования позволяют подобрать оптимальные температурно-временные ступеньки отверждения, для реализации свойств пластиков. Также некоторые из этих методов используют для контроля полноты процесса отверждения деталей из ПКМ .

Известны также технологичесие приемы для улучшения свойств пластиков на стадии отверждения. Процесс формования ПКМ под двойным вакуумным мешком представляет собой следующее: на традиционно изготовленный вакуумный мешок ставится жёсткий короб, а поверх него делается еще один вакуумный мешок. На начальном этапе формования в обоих мешках создаётся разряжение. Это даёт возможность создать разряжение под нижним мешком, не прилагая давления на заготовку из ПКМ, что обеспечивает лучшую дегазацию полимерного связующего на первоначальной стадии формования.

Так же для более эффективной дегазации выложенного технологического пакета на стадии вакуумного формования ПКМ применяют «подформовки» , когда выложенный пакет слоёв препрега уплотняетcя под вакуумным мешком, с разряжением 0,04-0,01 МПа не менее 2 ч, при 15-30 С. В процессе выдержки дополнительно предлагается периодически 1-2 раза в час соединять полость под вакуумным мешком на несколько минут с атмосферой и повторно создавать разряжение. Далее проводится процесс отверждения.

Повысить качество пластиков получаемых вакуумным формованием, позволяет применение изменение давления формования на режиме "пульсирующий вакуум". При этом значение разряжения под мешком меняется в определённом интервале в течении всего процесса формования. Применение данной схемы позволяет снизить пористость в деталях из ПКМ формуемых вакуумным способом.

Анализ методов повышения качества деталей из ПКМ получаемых методом вакуумного формования, показал, что широко изучены стадии изготовления препрегов, отверждения связующих, контроля процесса отверждения, в меньшей степени изучены стадии подготовки связующих: их очистки и регулирования технологических для дальнейшей переработки. В связи с тем, что именно состояние связующих оказывает огромное влияние на пористость деталей из ПКМ, необходимо разработать процесс его подготовки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М.: МГТУ имени Н. Э. Баумана, 1998
2. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
3. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. М.: НОТ, 2008.
4. Лахтин Ю.М., Лонтьев В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение. 1990. 528 с
5. Зорин В.А. Опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной и ракетно-космической техники // Конструкции из композиционных материалов. 2011. № 4.
6. On The Wire: Resin Infusion Gains Speed in Aircraft Structures // Advanced Composite Keys Issue 6. Abaris training, 2005.
7. Didier LANG, Aerospace structures: current trends //Composites RTM infusion 2009
8. Bob Griffiths. Innovative use of international supplier base to revolutionize aircraft manufacture // High-Performance Composites. 2005.
9. Цыплаков О.Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. Пермь, 1974.
10. HexPly 8552. Product DataSheet, Hexcel Corporation. Publication No. FTA 072c, 2008.
11. Cycom 977_2. Product DataSheet, Cytec Engineered Materials. Publication11/15/95 (Rev.E) 012102, 1995.
12. Advanced Fibre_Reinforced Matrix Products for Direct Processes. Hexcel Corporation. Publication No. ITA 272a, 2007.
13. Loos A.C. Low cost fabrication of advanced polymeric composites by resin nfusion process // Сomposite Mater. 2001. №10.
14. Karen Fisher Mason. Autoclave Quality Outside the Autjclave // Composites High_Performance, March 2006.
15. Schindler Guy. High quality, cost effective, high-temperature molds utilizing the vacuum assisted, resin transfer molding process (VARTM), Airtech International, Inc.
16. HexPly М36. Product DataSheet, Hexcel Corporation. Publication No. FTU 116b, 2002.
17. Крель Э. Руководство по лабораторной перегонке. Пер. с нем. [под ред. В.М. Олевского]. М.:Химия. 1980.
18. Бондаренко А.А., Харахаш В.Г., Скринник Н.И. Очистка эпоксидных смол и отвердителей от летучих веществ на пленочном дистилляторе // Пласт. массы. 1986. №1.
19. Md Afendi, W.M. Banks, D. Kirkwood. Bubble free resin for infusion process // Composites. A. 2005 36. №6, Pp739_746.
20. Кудряченко В.В., Федоткин И.М., Колосов А.Е., Сивецкий В.И. Использование ультразвука в технологии формования тканых полимерных композитов // Эко-технологии и ресурсосбережение. 2001. № 6
21. Сайт www.BYK.com. URL: www.BYK.com/additives. (дата обращения 12.09.2012).
22. Грушко В.Е., Гримайловская Т.П., Берези Н.М. Реологичесие свойства связующих // Авиационные материалы 1990. №2.
23. Влияние молекулярных характеристик эпоксидных олигомеров и их смесей на реологические свойства/ П.В. Суриков, А.Н. Трофимов, Е. И. Кохан, И.Д. Симонов_Емельянов, Л.К. Щеулова, Л.Б. Кандырин //Пласт. массы. 2009. №9.
24. Постнов В.И., Залевский Н.Г., Сатдинов А.И. Способ пропитки длинномерного наполнителя и установка для его осуществления. Пат. РФ № 2145922. 2000. Бюл. №6
25. Применение ультразвука при пропитке стеклопластиковых деталей // Е.А. Курочкин, Р.П. Орлова, А.Ю. Филимонов, А.Б. Лебедев, М.В. Слисков // Авиационная промышленность. 1990. №5.
26. Aruderuto Shimon Bueruhoisu, Furanshisukusu Petorusu Maria, Yan Buan Tsurunhouto. Manufacture of composite material, composite material, and molded article made therefrom // JP2255838, 1990_10_16
27. Prepreg technology, Hexcel Registered Trademark, Hexcel Corporation Publication No. FGU 017b, March 2005
28. Гуняев Г.М., Ильченко С.И., Румянцев А.Ф., Петров И.В., Ильиченко А.А., Филиппова Е.Ю., Садкова Т.И., Деев И.С., Михайлов В.В. и др. Способ получения композиционного материала, патент SU 1676187 А1.
29. Трофимов Н.Н., Кузнецов А.А., Натрусов В.В., Гильман А.Б., Драчёв А.И. и др., патент RU 2270207 С2, Способ подготовки стекловолокнистого наполнителя к нанесению полимерного связующего.
30. Козлов В.Н., Акимов А.И., Фатыхов М.А. Зависимость механических свойств композиционных материалов от температкрного режима полимеризации // Инженерная физика. 2009. №9.
31. Фатыхов М.А., Еникеев Т.И., Акимов И.А. Механические свойства композиционных материалов в зависимости от температурного режима их отверждения // Вестник ОГУ. Естественные и технические науки февраль 2006. Т.2. №2. С 87-92
32. Дмитриев О.С., Кириллов В.Н., Зуев А.В. Черепахина А.А. Влияние типа наполнителя на оптимальные режимы отверждения толстостенных ПКМ // Клеи, герметики, технологии 2011. №11
33. Формирование граничных слоёв в стеклопластиках/ А.Н. Трофимов, В.С. Копытин, В.М. Комаров, Г.А. Симакова, И.Д. Симонов-Емельянов // Пластические массы. 2009. №4.
34. Чубарова М.А., Гуняев Г.М., Селикова М.Г. Формирование поверхности раздела в углепластиках // Авиа_ ционная промышленность 1987. №7.
35. Кудинов В.В., Корнеева Н.В., Крылов И.К. Армированные пластики // Технология металлов. 2006. №7.
36. Горбаткина Ю.А. Адгезионная прочность в системах полимер - волокно. М.: Химия 1987.
37. Диэлектрические исследования низкотемпературного отверждения эпоксидной смолы ЭД_20 / И.А. Чернов, Т.Р. Дебердеев, Г.Ф. Новиков, Р.М. Гарипов, В.И. Иржак //Пластические массы. 2003. №8.
38. Оптимизация режимов отверждения связующего СП97ВК и получение стеклопластика на его основе //Т.П. Гримайловская, Н.Б. Белякова, Б.А. Киселёв, В.Н. Шелгаев // Авиационные материалы. 1986. №2.
39. Никитин К.Е. Новые микропроцессорные средства для неразрушающего контроля структуры, состава и свойств полимерных композитов на различных стадиях их производства // Заводская лаборатория. 1993. Т.59. №3. С 31-34
40. Практикум по химии и физике полимеров: Учеб. изд./ Н.И. Авакумова, Л.А. Бударина, С.М. Двигун, А.Е. Заикин, Е.В. Кузнецов, В.Ф. Куренков. М.: Химия, 1990. 304 с.
41. Изучение процесса отверждения реакционноспособныхолигомеров методом вискоземетрии / С.О. Солин, А.Л. Тринисова, И.А. Крючков, С.И. Казаков, М.Л. Кербер, И.Ю. Горбунова // Пластические массы. 2008. №5.
42. Цопа В.А., Зубаткин В.А., Рябовол А.А. Способ изготовления изделий из пластиков горячего отверждения, патент, SU 1781070
А1ММ 1.595_УНТЦ_437_2011 «Контроль процесса отверждения полимерной матрицы в полимерных композиционных материалах (ПКМ)». ВИАМ, 2011
43. Лебедев А.Б. Электрические методы контроля степени отверждения полимерных связующих // Неразрущающие методы контроля. Выпуск 2, М: ВИАМ.
44. Hou Tan_Hung, Jensen Brian J. Double vacuum bag process for resin matrix composite manufacturing // US7186367, 2007_06_03.
45. Попов А.Г., Аминов И.А., Лебедев С.А., Ривин Г.Л. Патент RU 95109951 А1, Способ изготовления многослойной панели из композиционного материала.
46. Jack A Woods, Andrew E. Modin, Robert D. Hawkins. Controlled atmospheric pressure resin infusion process. Patent No.: US 7,334,782 B2. Feb. 2008. Eugene Veshki