Technologies composites. Haute technologie moderne. Projection plasma de revêtements

25.11.2019

2. Pulvérisation.

Cette méthode convient aux petites et moyennes productions. La méthode de pulvérisation présente de nombreux avantages par rapport au moulage par contact, même si l'achat d'équipement pour cette méthode entraîne certains coûts.

Une installation spéciale vous permet d'appliquer revêtement de protection et du plastique. De ce fait, il n'est pas nécessaire de découper au préalable le matériau ni de préparer le liant, ce qui réduit considérablement la part du travail manuel. Des installations spéciales comptent automatiquement et avec précision les doses de résine et de durcisseur, et coupent également la mèche en morceaux tailles requises(0,8 à 5 cm). Après le processus de coupe, des parties du fil doivent tomber dans le flux de liant et devenir saturées lors du transfert vers la matrice. Grâce à un travail manuel, le processus de compactage de la fibre de verre dans la matrice est effectué à l'aide d'un rouleau roulant.

De nombreux avantages dans la production de fibre de verre par pulvérisation :

le temps est gagné et domaines utiles du fait qu'il n'est pas nécessaire de couper le matériau et de préparer le liant ;
il est possible de réduire le nombre de zones de production en réduisant le nombre d'endroits spécialement aménagés pour le moulage ;
la vitesse de moulage du produit augmente ;
le contrôle de la qualité des produits est simplifié ;
fonds salaires des économies importantes;
en raison du fait que la itinérance est relativement matériel peu coûteux, le coût du produit obtenu est alors considérablement réduit.

Lorsque le liant est préparé en petites quantités, lors du moulage manuel, jusqu'à 5 % du liant reste sur les outils et les parois du récipient, ce qui est tout à fait peu économique. On sait que la qualité du produit obtenu dépendra de la compétence et de l'expérience de l'opérateur de l'installation. Cette méthode utilise le même outillage que lors du moulage manuel.

3. Pultrusion.

La technologie Pultrusion est basée sur la production continue de produits profilés orientés uniaxialement à partir de plastiques fibreux. Un produit profilé à section constante en matériel approprié C'est exactement ce que l'on peut obtenir par pultrusion.

Grâce à une machine de pultrusion spéciale, un profilé en fibre de verre est réalisé. Une telle machine se compose d'une section d'alimentation en matériaux de renforcement, d'une filière, d'une section d'imprégnation, d'une unité de tirage et d'une unité de commande. éléments chauffants et de la section de parage. Il est préférable de renforcer l'emballage de fibres orientées à l'état sec et de l'imprégner d'une composition polymère pompée à travers l'emballage sec. Grâce à cette technologie, l’air ne pénètre pas dans le matériau. L'excès de résine reviendra dans la poêle et sera recyclé. Le roving, qui est utilisé comme matériau de renforcement, est déroulé des bobines à l'état sec et rassemblé en paquet d'une manière spéciale. Ensuite, le matériau entre dans le dispositif d'imprégnation - il s'agit d'un bain spécial de résine, où il est complètement humidifié avec du polyester, de l'époxy ou un autre liant. Ensuite, le matériau déjà imprégné est envoyé dans une filière chauffée dont la tâche est de former la configuration du profilé. Ensuite, la composition durcit à la température spécifiée. Le résultat est un profilé en fibre de verre dont la configuration épouse la forme de la matrice.

Il a été prouvé que les produits fabriqués par pultrusion possèdent des propriétés supérieures aux pièces fabriquées par les méthodes de moulage classiques. L'augmentation du coût de cette méthode est due à un certain nombre d'avantages caractéristiques de ce procédé. Les avantages incluent un contrôle strict de la tension et de la directionnalité des fibres, une réduction des pores et le maintien d'une teneur constante en fibres dans le composite. Il est évident que même la propriété de cisaillement intercouche est nettement améliorée. Sur ce moment Plusieurs variantes du procédé de pultrusion de base ont été développées, qui intéressent beaucoup et comptent beaucoup pour l'industrie. Leurs avantages sont de bonnes propriétés électriques, physiques, chimiques et thermiques, des performances élevées et une excellente tolérance dimensionnelle. L'un de ces procédés de pultrusion est précisément destiné à la réalisation de produits semi-finis permanents en plaques et feuilles.

Cependant, chaque méthode a ses inconvénients. Cette méthode se caractérise par un inconvénient tel que la rapidité du processus, qui dépendra de la température et de la vitesse de durcissement du liant. Il est généralement faible pour les résines polyester peu résistantes à la chaleur. Un autre inconvénient est qu'il est difficile d'assurer une section transversale constante du produit sur toute sa longueur, à l'exception des produits pas particulièrement forme complexe sections - carrées, rondes, poutres en I et autres. Pour obtenir le produit, vous devez utiliser uniquement des fils ou des brins. Cependant, ces inconvénients du procédé de fabrication de produits profilés ont récemment été progressivement éliminés et l'utilisation de ce procédé s'est sensiblement développée. Une composition à base d'éthers polyvinyliques et de résines époxy est utilisée comme matrices polymères. L'utilisation de telles matrices polymères à base de polysulfone, polyéthersulfone et polyimide plastifié permet d'atteindre une vitesse de moulage de joncs d'un diamètre d'environ cinq mm à une vitesse d'environ cent deux m/min.

Pour obtenir des produits profilés renforcés complexes, il est nécessaire d'utiliser la méthode d'étirage de matériaux en couches constitués de nattes ou de tissus fibreux. Actuellement, des procédés ont été développés pour produire des produits tubulaires combinant l'enroulement d'une couche en spirale et le brochage. Lames éoliennes qui ont un profil complexe coupe transversale, peut être cité comme exemple d'utilisation de matériaux ayant circuit complexe renforcement Des équipements de formage de produits semi-finis pour tôles ont déjà été développés. ressorts de voiture, qui ont une surface courbe et une section transversale variable.

4. Enroulement.

L'une des méthodes les plus prometteuses pour le moulage de produits en fibre de verre est la méthode d'enroulement des fibres, car elle crée la structure de charge requise dans les produits en fonction de leur forme et de leurs caractéristiques de fonctionnement. Grâce à l'utilisation de brins, de rubans, de fils comme charges, il assure une résistance maximale des produits. De plus, ces charges sont les moins chères.

Le processus d'enroulement de fibres peut être décrit comme une méthode relativement simple dans laquelle un matériau de renforcement sous la forme d'une mèche permanente (étoupe) ou d'un fil (fil) est enroulé sur un mandrin rotatif. Des mécanismes spéciaux surveillent l'angle d'enroulement et l'emplacement du matériau de renforcement. Ces appareils se déplacent à une vitesse qui correspond à la rotation du mandrin. Le matériau est enroulé autour du mandrin sous forme de bandes se touchant ou selon un motif spécial jusqu'à ce que la surface du mandrin soit complètement recouverte. Des couches successives peuvent être appliquées sous un angle ou à différents angles enroulement jusqu'à ce que l'épaisseur requise soit atteinte. L'angle d'enroulement varie de très petit, appelé longitudinal, à grand circonférentiel. Cette disposition implique 90 0 par rapport à l'axe du mandrin, couvrant tous les angles de spirale de cet intervalle.

La résine thermodurcissable sert de liant au matériau de renfort. Dans le processus de bobinage humide, la résine est appliquée directement pendant le bobinage lui-même. Le processus de bobinage à sec est basé sur l'utilisation de mèches pré-imprégnées de résine au stade B. Le durcissement s'effectue à température élevée sans excès de pression. La dernière étape du processus consiste à retirer le produit du mandrin. Si nécessaire, des opérations de finition peuvent être réalisées : usinage mécanique ou meulage. Le processus de bobinage de base se caractérise par de nombreuses options, qui diffèrent uniquement par la nature du bobinage, ainsi que par les caractéristiques de conception, la combinaison de matériaux et le type d'équipement. La structure doit être enroulée comme sur une surface de rotation. Il est cependant possible de mouler des produits d'un autre type, par exemple en comprimant une partie enroulée encore non durcie à l'intérieur d'un moule fermé.

La conception ressemble à un cylindre, un tuyau ou un tube lisse dont le diamètre varie de plusieurs centimètres à plusieurs dizaines de centimètres. Le bobinage permet de former des produits de formes coniques, sphériques et géodésiques. Pour obtenir des vaisseaux haute pression et les réservoirs de stockage, un embout doit être inséré dans le bobinage. Il est possible de former des produits qui fonctionneront dans des conditions de charge non standard, par exemple une pression externe ou interne, des charges de compression ou un couple. Les tuyaux thermoplastiques et les récipients métalliques haute pression sont renforcés lorsqu'ils sont enroulés avec des bandes externes. Les produits obtenus se caractérisent par un haut degré de précision. Cependant, le processus de bobinage présente un autre aspect : ce processus se caractérise par des vitesses de production plus faibles. L'avantage est que absolument tout matériau de renforcement permanent convient au bobinage.

Des machines peuvent être utilisées pour le processus de bobinage différents types: depuis divers tours et machines à chaîne jusqu'aux unités informatisées plus complexes caractérisées par trois ou quatre axes de mouvement. Des machines qui produisent en continu des tuyaux sont également utilisées. Pour faciliter le bobinage des grands réservoirs, des équipements portables doivent être conçus sur le site d'installation.

Les principaux avantages de la méthode de bobinage :

une méthode de pose de matériau rentable d'un point de vue économique en raison de la rapidité du processus ;
possibilité d'ajuster le rapport résine/verre ;
faible poids mort, mais haute résistance ;
cette méthode n'est pas sujette à la corrosion et à la pourriture ;
matériaux relativement peu coûteux ;
bonne structure des stratifiés, grâce au fait que les profilés ont des fibres directionnelles, et bonne teneur en matériaux verriers.

5. En appuyant sur.

Le processus de pressage consiste à donner directement la forme souhaitée au produit sous l'influence d'une haute pression, qui se forme dans le moule à la température de durcissement rapide du matériau. Grâce à pression extérieure dans le matériau pressé, il se produit un compactage et une déstructuration partielle de la structure précédente. Le frottement entre les particules de matériau en contact, qui se forme lors du compactage, provoque la génération d'énergie thermique, qui conduira certainement à la fusion du liant. Une fois que le matériau entre dans un état viscoplastique, il se répand dans le moule sous pression, formant une structure cohérente et compactée. Le processus de durcissement est basé sur la réaction de réticulation des macromolécules due à la polycondensation entre les groupes libres du liant. La réaction nécessite de la chaleur, au cours de laquelle des substances volatiles de faible poids moléculaire sont libérées, telles que le méthanol, l'eau, le formaldéhyde, l'ammoniac, etc.

Paramètres pour la technologie de pressage direct :

température de préchauffage ;
pression pressante;
température de pressage ;
exposition temporaire sous pression;
paramètres de prépresse ;

La pression agit directement sur le matériau dans la cavité du moule lors du pressage direct, de sorte que les pièces du moule peuvent s'user prématurément. Selon la taille du produit, le cycle de pressage peut varier de 4 à 7 minutes. Le pressage direct des plastiques destinés au renforcement est de deux types, qui dépendent de la manière dont la charge fibreuse est imprégnée :

Les toiles et tissus secs et pré-imprégnés sont pressés ;
Ils sont pressés avec imprégnation exactement dans le moule.

La première méthode est plus populaire. Pour fabriquer des produits de formes relativement simples, le pressage direct est utilisé. En raison des exigences élevées imposées à la qualité de la surface extérieure de la pièce, des installations automatiques ont été créées pour le dosage des composants lors de la préparation des flans préimprégnés. Des manipulateurs automatiques spéciaux ont été conçus pour charger des paquets de flans dans des moules de presse multi-empreintes. La nouvelle génération de presses de haute précision est équipée de systèmes modernes contrôle, grâce auquel il est possible d'obtenir des pièces avec une surface de haute qualité, et leur coût est approximativement le même que celui des pièces en acier.

6. Technologie SMC.

Un obstacle majeur à la diffusion des matériaux composites est leur faible adaptabilité technologies traditionnelles leur production aux besoins d'une production moderne à grande échelle, également entièrement automatisée. Aujourd’hui, les pièces composites restent encore des « marchandises à la pièce ». Le travail coûteux du personnel expérimenté contribue contribution élevéeà une fraction du coût de ces matériaux. Malgré cela, pour dernières années Nous avons réalisé des progrès significatifs dans la préparation de méthodes automatisées de production de composites. La technologie SMC est devenue l'un des développements les plus populaires.

Les produits finaux utilisant cette technologie sont soumis à un processus en deux étapes. La première étape de la technologie se caractérise par le fait que le préimprégné est produit sur une unité de convoyeur automatique et que, dès la deuxième étape, le préimprégné est transformé dans des moules en acier en pièces finies. Décrivons ces étapes plus en détail. La résine polyester insaturée est utilisée comme base pour le liant. Ses avantages incluent bas prix et un temps de durcissement court. Le composant de renforcement est de la fibre de verre hachée, répartie de manière aléatoire dans tout le volume de la feuille. Un stockage à long terme pendant plusieurs mois à température ambiante est assuré par le système de durcissement de la résine. Les épaississants chimiques augmentent la viscosité du liant après l'imprégnation de la fibre de verre de plusieurs ordres de grandeur, améliorant ainsi l'aptitude à la fabrication du préimprégné et augmentant également sa durée de conservation. Les charges minérales, introduites en grande quantité dans le liant, augmentent la résistance au feu des produits finis et la qualité de leur surface s'améliore sensiblement.

Le préimprégné obtenu peut être traité automatiquement grâce au pressage dans des moules en acier chauffés. Ces moules sont de conception similaire aux moules d’injection pour thermoplastiques. Grâce à la formulation du liant, le préimprégné durcit à une température de 150 C et une pression de 50-80 bar à une vitesse de ~30 sec/mm d'épaisseur. Un très faible retrait de durcissement est caractéristique importante Technologies SMC. En raison de la teneur élevée en charge minérale et en additifs thermoplastiques spéciaux, le retrait peut atteindre 0,05 %. Les produits résultants ont une résistance aux chocs de 50 à 100 kJ/m2 et une résistance à la flexion destructrice de 120 à 180 MPa. Il est économiquement réalisable d'utiliser la technologie SMC pour produire des produits composites de haute qualité en grandes quantités allant de plusieurs milliers à des centaines de milliers par mois. Des centaines de milliers de matériaux similaires sont produits chaque année sur le marché européen. Les industries de l’énergie électrique, de l’automobile et du ferroviaire sont les plus gros consommateurs de ces matériaux.

7. Méthode RTM (Resin Transfer Moulding).

La méthode RTM est basée sur l'imprégnation et le moulage par injection de composites, au cours desquels le liant est transféré dans une matrice fermée contenant déjà des charges ou des préformes. Divers tissus de diverses armures peuvent agir comme matériau de renforcement, par exemple un matériau multi-axial ou en émulsion et des mats de verre en poudre. Le liant est une résine qui gélifie en 50 à 120 minutes et possède une faible viscosité dynamique. GOST 28593-90 détermine la viscosité et le temps de gélification de la résine.

Cette méthode est parfaite pour des volumes standards de 500 à 10 000 produits par an. La conception matricielle est constituée de formes composites ou en acier qui suivent les contours externes de la pièce des deux côtés. Les structures ont des propriétés à haute température qui sont maintenues en place par l'alignement précis des cadres en acier fermés soutenus aux emplacements de serrage.

Cette méthode est idéale pour la réalisation de matrices de 0,2m2 à 100m2. La conception matricielle se compose de formes composites ou en acier. La matrice de circuit consiste en une conception plus légère et plus flexible. Les moitiés de la matrice sont reliées les unes aux autres sous l'influence du vide.

Avantages de la technologie RTM :

la production automatisée, qui réduit le caractère aléatoire de l'intervention humaine ;
il y a une réduction et un contrôle de la quantité de matières premières utilisées ;
l'impact du matériau sur l'environnement est réduit ;
les conditions de travail ont été améliorées ;
des produits relativement durables sont créés grâce à une meilleure imprégnation ;
équipement relativement bon marché.

Complexe robotique Pour usinage produits de matériaux composites conçu pour la mécanisation et l'automatisation de certaines des opérations les plus exigeantes en main-d'œuvre du cycle technologique :

Couper et supprimer le flash technologique
Fraisage de rainures, d'évidements et de positionneurs pour éléments encastrés
Perçage et fraisage de trous de formes complexes
Fraisage de grands trous traversants (ouvertures de fenêtres, trappes, etc.)

Complexe robotique vous permet de bénéficier des avantages suivants :

Vitesse de traitement accrue par rapport aux méthodes manuelles
Haute répétabilité et qualité de traitement
Fraisage avec une qualité d'arête élevée « en un seul passage »
Améliorer les conditions de travail
Création d’emplois supplémentaires à forte intensité de connaissances

À Méthode de contact Lors du moulage, la matière verrière est imprégnée manuellement de résine à l'aide d'un pinceau ou d'un rouleau. L'imprégnation peut être réalisée simultanément au laminage dans le moule, ou séparément. Le laminage est effectué pour éliminer l'air du stratifié et répartir uniformément le liant.

T technologie des composites résout le problème de l'obtention de matériaux renforcés. Le mot technologie vient de deux mots grecs : techne – compétence et logos – mot, enseignement. Habituellement dans les noms de ce type, la deuxième partie « logie » correspond au concept de « science ». Par exemple, la zoologie est la science des animaux, la géologie est la science de la structure de la Terre. Par analogie, la technologie devrait être définie comme la science de l’artisanat.

Technologie des composites – section de technologie des matériaux

Mais le mot « science » à côté du mot « technologie » est apparu relativement récemment. La technologie est généralement définie comme un ensemble de méthodes. Si nous parlons deÔ technologie des matériaux, il s'agit alors d'un ensemble de méthodes d'obtention et de traitement des matériaux.

Les fibres en tant que composants d'un matériau. Il y a seulement quelques décennies, on pouvait être d’accord avec cette définition. Et aujourd’hui, cela nécessite sans doute des éclaircissements. Aujourd'hui, la technologie des matériaux n'est pas seulement un ensemble de méthodes, mais aussi la science de l'obtention et du traitement des matériaux, qui a sa propre base théorique (théorie des procédés métallurgiques, théorie du traitement sous pression, théorie du traitement thermique, etc.) , ses propres méthodes de recherche, ses propres principes. Et la création de nouveaux matériaux est impensable sans utiliser ses acquis. Mais en gardant cela à l’esprit, nous ne devons pas oublier la première partie du mot. Après tout, la technologie est aussi une compétence. Et la compétence s’apparente à l’art. Pour devenir un bon technologue, en plus des connaissances, il faut faire preuve d'ingéniosité et d'ingéniosité. Et il faut aussi du talent. Cependant, ces qualités ne sont superflues dans aucune entreprise. Les gens participent à la création de matériaux diverses spécialités. Les scientifiques théoriques des matériaux sont des physiciens, des chimistes et des mécaniciens qui étudient les lois générales du comportement des matériaux. Les scientifiques-technologues des matériaux sont des spécialistes qui utilisent ces modèles pour créer de nouveaux matériaux et développer des méthodes pour leur production. Ils font le lien entre la théorie et la pratique. Et il existe également des technologues de production qui travaillent directement dans les usines et développent des processus pour fabriquer des produits dans des conditions industrielles. Nous parlerons du travail des scientifiques et technologues des matériaux.

Technologie des composites - une tâche pour un spécialiste

Prenons par exemple Spécialiste des technologies des composites. Quels problèmes doit-il résoudre ? Voici l'un d'entre eux. Donné : fibres de bore enroulées sur des bobines ; l'aluminium (sous n'importe quelle forme - feuilles, fil, poudre, fonte) peut être choisi à votre discrétion. Obligatoire : connecter les fibres et la matrice d'aluminium entre elles, obtenant ainsi du bore-aluminium à haute résistance. Le technologue doit décider comment procéder. Pour rendre la conversation plus précise, voyons comment obtenir un tel composite sous la forme d'une feuille dans laquelle toutes les fibres sont réparties uniformément sur la section transversale et disposées parallèlement les unes aux autres. Résoudre un problème donné, c’est répondre à trois questions fondamentales :

Comment assurer la pose des fibres dans une direction donnée ?
Comment introduire des fibres dans la matrice pour obtenir une feuille ayant la structure et les propriétés requises ?
Comment éviter le ramollissement et la destruction des fibres lors du processus de fabrication du matériau, tout en assurant leur forte liaison avec la matrice ?

La question « comment ? poursuit constamment les technologues. Et apparaît toujours à côté de lui compagnon constant- "Pourquoi?". Répondez à la question « pourquoi ? » - signifie trouver la raison qui provoque tel ou tel phénomène. Et la réponse à la question « comment ? doit indiquer des moyens de résoudre le problème. Tout spécialiste scientifique est obligé de rechercher constamment des réponses à ces questions et il n’a aucun espoir de s’en débarrasser. Dès que vous répondez à l’une, une autre apparaît, et elle donne à son tour naissance à une avalanche de nouveaux « pourquoi ? Et comment?". Et s’ils cessent de s’inquiéter, il cesse d’être un scientifique. Mais quand même, l'essentiel pour un technologue est de répondre à la question « comment ? C'est son travail. Trois questions principales sont formulées et doivent être prises en compte lors de la résolution d'un problème technologique. Essayons d'y répondre.

Comment orienter les fibres dans un composite

Commençons dans l'ordre. Comment orienter les fibres dans un composite? S'ils étaient suffisamment épais, comme les tiges d'acier avec lesquelles ils sont renforcés, il n'y aurait pas de problèmes particuliers. Vous pouvez en placer un à la fois dans des nids spécialement préparés.

Les fibres comme base des composites. Mais nous devons composer avec des fibres fines d'un diamètre d'environ 100 microns. Dans une feuille de 5 mm d'épaisseur et 500 mm de large, il y en aura plus de 100 000 ; poser manuellement chaque fibre dans un endroit désigné à l'avance est clairement une tâche irréaliste. Une machine peut faire cela. Il faut tenir compte du fait que les fibres ne doivent pas se toucher, elles doivent être placées à une certaine distance les unes des autres afin d'assurer la concentration requise dans la matrice. Ici, vous pouvez proposer plusieurs options, mais l'une des meilleures est probablement celle qui est largement utilisée dans la pratique aujourd'hui - méthode d'enroulement. Ils prennent un tambour cylindrique dont la circonférence est égale à la longueur de la future feuille, l'installent sur un tour et y enroulent des fibres à une distance donnée. L’idée est ensuite de couper toutes les fibres le long de la génératrice du cylindre et de les déplier dans un plan, ce qui donne une couche de fibres parallèles. La longueur de cette couche est égale à la circonférence du tambour. Et pour économiser arrangement mutuel fibres dans la couche, vous devez les attacher d’une manière ou d’une autre avant de les couper. Vous pouvez par exemple l'enduire de colle et le découper le long de la ligne après séchage. Dans ce cas, choisissez la colle de manière à ce que, si nécessaire, elle puisse être facilement enlevée, par exemple brûlée par chauffage.

Comment introduire des fibres dans la matrice

Mais il vaut mieux faire les choses différemment. Utilisez le matériau de la matrice lui-même comme agent de fixation. Vous pouvez alors effectuer deux tâches à la fois afin de bien entretenir la technologie composite : réparer les fibres dans la position requise et en même temps entrez-les dans la matrice, c'est-à-dire répondre à la deuxième question principale de notre tâche. Pas une mauvaise idée. Mais encore une fois, le même problème persistant se pose : comment ? Comment faire? Vous ne pouvez pas vous débrouiller sans connaissances en physique et en chimie.

Méthode électrochimique

Peut être utilisé méthode électrochimique, en appliquant un revêtement galvanique de matrice métallique sur le tambour sur lequel sont enroulées des fibres. Ce n'est pas très difficile en principe, mais :

prend beaucoup de temps
tous les métaux ne peuvent pas être appliqués de cette façon,
Il est difficile de garantir la composition de matrice souhaitée lorsqu’il s’agit d’alliages complexes.

Mais pour certains composites, par exemple avec des matrices en cuivre ou en nickel, la méthode est tout à fait acceptable. Même s'il vaudrait mieux trouver quelque chose de plus universel. Vous pouvez trouver une autre façon. Trempez simplement le tambour avec les fibres enroulées dans l'aluminium fondu et, après l'avoir retiré, laissez-le refroidir rapidement jusqu'à cristallisation. Cela semble simple, mais cette simplicité est trompeuse. Le métal liquide s'écoulera et il ne sera donc pas possible de recouvrir uniformément toute la monocouche avec la matrice. De plus, dans certains cas, le métal en fusion peut interagir activement avec le tambour lui-même, corrodant sa surface et la surface des fibres, ce qui est extrêmement indésirable, car le tambour perdra ses dimensions et les fibres se ramolliront et deviendront cassantes. .

Projection plasma de revêtements

Mais le plus option appropriée. Utiliser pulvérisation plasma de revêtements. Dans cette méthode, le matériau de la matrice est fondu par un flux de plasma à basse température (gaz ionisé avec une température moyenne d'environ 10 000 K), et par le même flux il est pulvérisé et transféré à la surface du tambour, recouvrant les fibres. et combler les écarts entre eux. Le flux de plasma est obtenu à l'aide d'un dispositif spécial - un plasmatron, dans lequel le gaz de travail (azote, argon, hydrogène, hélium, etc.) est ionisé sous l'action d'une décharge d'arc. Bien que le plasma produit dans les plasmatrons conventionnels soit dit à basse température, cette « basse » température (10 000 K) est largement suffisante pour faire fondre n'importe quel matériau existant dans la nature. Des gouttelettes de métal en fusion atteignent le tambour froid et, en lui dégageant de la chaleur, se cristallisent, formant un revêtement uniforme sur le tambour s'il tourne uniformément. Le matériau à projeter (dans notre cas, l'aluminium) est généralement introduit dans le jet plasma sous forme de poudre ou de fil. Extérieurement, le processus d'application de revêtements plasma ressemble à une peinture avec un pistolet pulvérisateur. Seulement, au lieu d'un pistolet pulvérisateur, il y a un plasmatron et au lieu de peinture, il y a un alliage matriciel. En principe, il n'est pas nécessaire d'utiliser du plasma à cet effet ; vous pouvez vous en sortir avec un chalumeau à gaz ou un autre appareil, mais la pulvérisation plasma est très pratique et est largement utilisée dans la création de composites. La monocouche renforcée obtenue après pulvérisation est découpée le long d'une des génératrices du cylindre et dépliée selon un plan. La résistance du revêtement est suffisante pour empêcher les fibres de bouger les unes par rapport aux autres, mais pas suffisante pour assurer une résistance élevée du composite. L'épaisseur des monocouches obtenues est généralement d'un diamètre et demi à deux diamètres de fibres, soit environ 200 microns, et permettez-moi de vous rappeler qu'il nous faut une feuille de 5 mm d'épaisseur. Que dois-je faire? Encore une fois « comment ? »

Roulage monocouche

Cette fois, vous n’avez pas à chercher longtemps la réponse : vous devez le faire gâteau en couchesà partir des monocouches résultantes, c'est-à-dire les collecter dans un emballage épaisseur requise et d'une manière ou d'une autre, les sceller, les reliant de manière inséparable les uns aux autres. Cela peut être fait, par exemple, monocouches roulantes ou pressage à chaud. Dans le premier cas, l'emballage est chauffé dans un four et passé entre des rouleaux rotatifs. Lors du laminage, les monocouches sont reliées en un matériau monolithique et le matériau de matrice de chaque monocouche est compacté, ce qui entraîne une augmentation de la résistance de la matrice et de la force de sa liaison avec les fibres.

Pressage à chaud de monocouches

Parfois, il est plus judicieux de compacter les paquets de monocouches non pas par roulage, mais par pressage à chaud. Pour ce faire, ils sont placés dans un moule dont la longueur et la largeur du plan de travail correspondent aux dimensions des monocouches, et pressés par le haut avec un poinçon. Le moule est chauffé afin que la température de processus requise puisse être atteinte. Le sac chauffé est compacté, d'où son nom - pressage à chaud. Pour qu'une liaison forte se forme entre les monocouches et que toutes les particules du métal de matrice déposé se soudent ensemble pour former un monolithe, il est nécessaire de le maintenir sous pression, permettant ainsi aux processus de diffusion de faire leur travail. Ce sont ces processus, ainsi que la pression, qui fournissent une haute propriétés mécaniques notre gâteau en couches. C'est pourquoi cette méthode de production de composites est parfois appelée soudage par diffusion.

Technologie composite sous forme de tige ou de profil complexe

En relation avec la tâche à accomplir, nous avons répondu à la deuxième question : comment introduire les fibres dans la matrice. Mais que se passe-t-il si vous avez besoin d'obtenir un composite sous la forme d'une tige ou profil complexe? Un autre « comment ». Vous pouvez à nouveau recourir à roulage de sacs monocouches, non seulement en rouleaux lisses, mais en rouleaux calibrés, c'est-à-dire ayant des coupes spéciales qui correspondent à la configuration requise. Ou vous pouvez utiliser ce qu'on appelle méthodes en phase liquide, lorsque la matrice est à l'état liquide lors de la fabrication du composite. Les fibres, se déroulant des bobines (le nombre de bobines est égal au nombre de fibres dans le composite), passent, sans se toucher, dans un bain de métal matriciel en fusion, sont mouillées par celui-ci et entrent dans une filière qui forme une tige de la section souhaitée. Après cela, la tige est refroidie, le métal de la matrice durcit, formant un matériau composite avec les fibres. De cette manière, des tiges d'une grande variété de profils peuvent être obtenues. Les produits aux profils complexes, tels que les aubes de turbine, peuvent être facilement fabriqués par imprégnation. Les fibres sont placées dans un moule de coulée dont la cavité de travail correspond à la forme de la lame (comment procéder est une question distincte que nous n'examinerons pas maintenant, mais cela peut être fait, bien que pas facilement), puis du liquide le métal de la matrice est coulé dans le moule. Les espaces entre les fibres sont généralement petits et il est difficile pour le métal en fusion de les combler, mais ils doivent être comblés le plus rapidement possible afin que les fibres n'aient pas le temps de se dissoudre dans la matrice. Par conséquent, dans la plupart des cas, l’imprégnation est réalisée sous pression. Le moule de coulée est vidé, et métal liquide y pénètre sous la pression atmosphérique. En règle générale, une différence de pression d’une atmosphère suffit pour une imprégnation rapide et fiable. Mais ce n'est le cas que lorsque les fibres sont mouillées par le métal fondu de la matrice. Si cela ne se produit pas, des mesures doivent être prises. Par exemple, les fibres de carbone ne sont pas mouillées par l'aluminium liquide, il n'est donc pas possible d'obtenir du carbone-aluminium en imprégnant simplement des fils de graphite avec de l'aluminium. Mais si tu enduis d'abord ces fils la couche la plus fine du chrome ou du nickel (il suffit d'appliquer un revêtement d'un micromètre d'épaisseur), bien mouillés par l'aluminium, l'imprégnation sera assurée et un composite pourra être obtenu. La tâche principale d'un technologue est de répondre à la question « comment ? » Comment faire? Des réponses correctes à cette question peuvent être données si les réponses à la question « pourquoi ? » sont connues. Imaginez un mécanicien automobile qui sait serrer les boulons et les écrous, mais ne connaît pas la structure de la voiture. Il ne vaut rien. De même, un technologue qui ne comprend pas la physique des processus qui se produisent lors de l'obtention d'un matériau est un spécialiste inférieur. Par exemple, un technologue sait que dans de nombreux cas, après chauffage, le composite se ramollit. Le problème se pose immédiatement : comment y faire face ? Cette question est similaire au troisième « comment ? » posé au début de la conversation. Et pour résoudre ce problème, vous devez savoir pourquoi le composite se ramollit. La réponse à ces questions est apportée par la technologie composite.

Les matériaux composites sont des matériaux créés à partir de plusieurs composants. Ils sont principalement fabriqués à partir d'une base en plastique, d'une charge renforçante et de quelques autres substances. En conséquence, le composite se caractérise par une résistance élevée, une rigidité et de nombreuses autres propriétés utiles.

Les technologies des composites polymères sont des méthodes de création de matériaux dont la matrice est un polymère. Il existe un grand nombre d'espèces et d'espèces, ce qui a assuré leur prévalence et leur popularité. Il existe les types de polymères céramiques suivants :

Fibre de verre;
plastiques renforcés de fibres de carbone;
boroplastie;
les organoplastiques ;
polymères chargés de poudres;
dalles de texte.

Les matériaux céramiques composites sont utilisés dans une grande variété de domaines, parmi lesquels :

Construction;
ingénierie électrique;
industrie chimique;
construction de route;
télécommunications;
industrie aéronautique, etc.

La prévalence et la popularité des technologies composites sont associées à de nombreux avantages cette méthode production de matériaux. Il convient de prêter attention aux qualités positives suivantes :

Amélioré caractéristiques physico-chimiques;
assez faible densité spécifique;
résistance à la corrosion, à la pourriture ou à la déformation ;
faible toxicité lors de la combustion;
ininflammabilité ou inflammabilité difficile ;
résistance chimique unique ;
faible coefficient de dilatation linéaire dû à l'action de la chaleur ;
plage de température de fonctionnalité assez large ;
propriétés d'isolation électrique élevées;
une propreté accrue de l’environnement.

Au XXIe siècle, les matériaux composites à base de polymères céramiques sont devenus l'une des substances les plus populaires à l'aide desquelles ils résolvent divers problèmes technologiques dans une grande variété de domaines, tels que la construction, l'ingénierie ou d'autres types d'industries. Ceci a été réalisé grâce à de nombreux avantages qui distinguent les composites des autres types de matériaux populaires jusqu'à présent.

Restauration de la roue de pompe diagonale

Des matériaux composites peuvent également être utilisés pour restaurer la roue de pompe diagonale. Avec une demande similaire de réparation du dispositif de pompage Eaux usées L'entreprise MP Angarsky Vodokanal a contacté Ceramet sous le nom de KSB Sewatec.

En trois ans de fonctionnement, les performances de la pompe sont tombées à 70 % dès le premier jour de fonctionnement. La réparation comprenait la restauration du métal, l'application de matériaux composites et l'équilibrage dynamique. Ainsi, grâce à l'utilisation de technologies composites, il a été possible de prolonger la durée de vie de la pompe et de réaliser des économies de coûts de 4,5 fois.

Caractéristiques du matériau Ceramet

Les matériaux céramiques composites Ceramet sont conçus pour protéger les équipements, prolongeant leur durée de vie et augmentant leur durée de vie. Cela réduit considérablement les temps d'arrêt et la nécessité d'acheter des pièces de rechange supplémentaires.

La particularité du matériau Ceramet est sa gamme d'applications assez large, qui comprend :

Réparation d'équipements de pompage ;
renouvellement des tarières;
améliorer la fonctionnalité des échangeurs de chaleur ;
réparation de canalisations, gouttières, etc.

Ainsi, le matériau composite Ceramet peut être utilisé à de nombreuses fins différentes, ce qui est plus avantageux que les autres méthodes de renouvellement des équipements.

L'article présente l'état actuel de la technologie pour la production de produits à partir de matériaux composites, y compris des informations sur les technologies utilisées, les logiciels, les équipements de création de matrices, les équipements de création de produits composites, les équipements de surveillance de la géométrie des produits et les tests non destructifs.

matériaux composites

logiciel

équipement pour créer une matrice

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Un matériau composite est un matériau dont la structure est constituée de plusieurs composants aux propriétés physiques et mécaniques différentes : matrices métalliques ou non métalliques avec une répartition donnée de renforts en leur sein, leur combinaison confère au matériau composite de nouvelles propriétés. Selon la nature de la structure, les matériaux composites sont divisés en matériaux fibreux, renforcés de fibres et de barbes continues, matériaux renforcés par dispersion obtenus en introduisant des particules dispersées de durcisseurs dans la matrice, matériaux en couches créés par pressage ou laminage. matériaux différents.

Aujourd'hui, les matériaux composites sont particulièrement demandés dans diverses industries. Les premiers navires en fibre de verre ont été fabriqués dans la seconde moitié des années 30 du XXe siècle. Depuis les années 50, la construction navale en fibre de verre s'est généralisée dans le monde ; un nombre important de yachts, de bateaux de travail et de sauvetage et de bateaux de pêche, de péniches de débarquement, etc. L'une des premières applications des matériaux composites dans l'aviation a été la fabrication de panneaux en plastique renforcé de fibres de carbone sur le bord de fuite de l'aile de l'avion F-111A en 1967. Ces dernières années, dans les produits aérospatiaux, on trouve de plus en plus de structures constituées d’un « sandwich » à trois couches avec une âme en nid d’abeille en aluminium et des peaux en fibre de carbone. Actuellement, environ 50 % du poids total d’un Boeing 787 ou d’un Airbus A350 est constitué de matériaux composites. Dans l'industrie automobile, les matériaux composites sont utilisés depuis assez longtemps, principalement la technologie de fabrication de kits carrosserie aérodynamiques a été développée. Les matériaux composites sont utilisés dans une mesure limitée pour la fabrication de pièces de suspension et de moteur.

Cependant, jusqu'à récemment, les entreprises utilisaient principalement la pose manuelle de pièces en composites, et la production en série de produits ne nécessitait pas d'automatisation approfondie des processus. Aujourd'hui, avec le développement de la concurrence sur le marché, il est impossible de se passer d'outils modernes de conception et de préparation à la production, ainsi que équipement efficace pour travailler avec des composites.

Technologies de création de produits à partir de matériaux composites

Dans la plupart des cas, une résine thermodurcissable durcie chimiquement est utilisée comme liant, le processus de durcissement est caractérisé par une réaction chimique exothermique. On utilise principalement des résines polyester, époxy, phénoliques et haute température. Le plus souvent, dans la fabrication de pièces aux configurations complexes, on utilise des technologies dont l'essence est la disposition d'une base « sèche » suivie d'une imprégnation avec une composition de liant (moulage « humide », bobinage, injection, Resin Transfer Molding / RTM) ou en alternative, pose d'un support « sec » avec film adhésif (imprégnation sous vide, Resin Film Infusion / RFI). Il existe plusieurs technologies de base pour fabriquer des pièces à partir de matériaux composites, notamment des méthodes manuelles et automatisées :

imprégnation des fibres de renfort avec un matériau de matrice ;
formation dans un moule de bandes de renfort et d'une matrice obtenue par bobinage ;
pressage à froid des composants suivi d'un frittage ;
revêtement électrochimique de fibres avec pressage ultérieur;
dépôt de la matrice par projection plasma sur le durcisseur suivi d'une compression ;
soudage par diffusion par lots de bandes monocouches de composants ;
laminage conjoint d'éléments de renfort avec une matrice, etc.

Par ailleurs, la technologie de fabrication de pièces à partir de préimprégnés (produits semi-finis constitués d'un matériau de base imprégné d'une composition de liant) s'est généralisée.

Logiciel

La tâche de concevoir un produit à partir de matériaux composites est sélection correcte compositions qui offrent une combinaison de propriétés requises dans un cas opérationnel spécifique. Lors de la conception de matériaux composites polymères renforcés, le traitement informatique des données est largement utilisé, pour lequel un grand nombre de logiciels différents ont été développés. Leur utilisation permet d'améliorer la qualité des produits, de réduire la durée de développement et d'organisation de la production des structures et de résoudre les problèmes de leur conception rationnelle de manière globale, qualitative et rapide. La prise en compte de l'irrégularité des charges permet de concevoir une structure de coque en composite renforcé d'épaisseur différenciée, qui peut varier des dizaines de fois.

Les produits logiciels modernes peuvent être divisés en deux groupes : ceux qui effectuent des analyses par lots de stratifiés dans une formulation « bidimensionnelle » ou « poutre/plaque » et dans une formulation tridimensionnelle. Le premier groupe est constitué de programmes comme Laminator, VerctorLam Cirrus, etc. La solution « tridimensionnelle » est la méthode des éléments finis, et ici grand choix parmi les produits logiciels disponibles. Il existe différents produits logiciels sur le marché de la « technologie de modélisation des composites » : FiberSim (Vistagy / Siemens PLM Software), Digimat (e-Xstream / MSC Software Corp.), Helius (Firehole Composites / Autodesk), ANSYS Composite PrepPost, ESAComp (Altair Ingénierie) et etc.

Presque tous les logiciels spécialisés de diverses sociétés ont la capacité de s'intégrer à des systèmes de CAO de haut niveau - Creo Elements/Pro, Siemens NX, CATIA. En général, le travail ressemble à ceci : le matériau des couches est sélectionné, le Paramètres communs paquet de couches, la méthode de formation des couches est déterminée, la méthode couche par couche est utilisée pour la production de pièces simples, pour les produits complexes, des méthodes de conception de zone ou de conception structurelle sont utilisées. Lors de la disposition des calques, leur séquence est définie. En fonction du mode de fabrication du produit (pose manuelle, moulage, pose de rubans, pose de fibres), une analyse couche par couche du matériau est réalisée pour déceler d'éventuelles déformations. La composition des couches est adaptée à la largeur du matériau utilisé.

Une fois la formation des couches terminée, l'utilisateur reçoit des données sur le produit, lui permettant d'être utilisées à diverses fins, par exemple :

sortie sous forme de documentation de conception ;
utiliser comme données initiales pour couper le matériau ;
données source pour un projecteur laser pour indiquer les contours des zones de placement de motifs.

Aller à technologies modernes la conception et la préparation de la production des produits permettent :

réduire la consommation de matériaux composites grâce à l'utilisation d'alésoirs et de machines de découpe précis ;
augmenter la cadence et améliorer la qualité de la pose manuelle des matériaux grâce à l'utilisation de flans précis et aux projections laser de leurs zones de pose ;
atteindre un niveau élevé de répétabilité du produit ;
réduire l'influence du facteur humain sur la qualité des produits fabriqués ;
réduction des exigences de qualification du personnel impliqué dans l'installation.

Équipement pour créer des matrices

La fabrication d'un modèle principal en bois est un processus long et laborieux ; pour réduire le temps de fabrication de la matrice et augmenter la précision, on utilise : des fraiseuses CNC à trois/cinq axes, des machines de contrôle et de mesure ou des scanners 3D.

Portique cinq axes fraiseuse, (Figure 1), n’est disponible que pour les grands fabricants. Petites entreprises ils utilisent des complexes de fraisage robotisés sur des unités robotisées linéaires (Fig. 2) ou réalisent des maîtres modèles à partir de pièces collées. Dans ce cas, un cadre creux rigide est pris comme base de la pièce, qui est collée à l'extérieur puis entièrement traitée. Les entreprises qui n'ont pas la possibilité de traiter l'intégralité du produit empruntent une voie différente : tout d'abord, un modèle 3D simplifié du produit est construit dans un système de CAO à l'aide de plans, et un modèle rigide est conçu sur la base du modèle simplifié. cadre de puissance du contreplaqué. La totalité de la surface extérieure est ensuite représentée dans le système CAO comme revêtement pour le cadre intérieur. Les dimensions du revêtement sont choisies de manière à pouvoir être fraisées sur une fraiseuse CNC existante (Fig. 3). Ensuite, le cadre assemblé avec précision est collé modèle de bardage. Avec cette méthode, la précision du maître-modèle est moindre et une finition manuelle des joints de revêtement est requise, mais cela vous permet de créer des produits dont les dimensions dépassent largement les capacités des machines CNC existantes.

Riz. 1. Fraiseuse à cinq axes MR 125, capable de traiter des pièces mesurant 15x5 m et une hauteur jusqu'à 2,5 m

Riz. 2. Complexe de fraisage robotisé Kuka

Riz. 3. « Petite » fraiseuse à cinq axes

Équipement pour créer des composites

La première étape de la mécanisation du processus de moulage a été l'utilisation de machines d'imprégnation qui, en plus de l'imprégnation, collectent les tissus de verre ou la fibre de verre dans des sacs multicouches d'une épaisseur totale de 4 à 5 mm. Pour mécaniser les processus, réduire le risque d'erreur du personnel et augmenter la productivité, par exemple, la méthode de pulvérisation est utilisée, avec laquelle vous pouvez obtenir revêtement extérieur, panneaux de cloison et autres structures en fibre de verre. Le procédé de pulvérisation permet d'obtenir des angles de moulage par mécanisation et d'offrir une productivité de travail plus élevée par rapport aux angles de moulage moulés manuellement à partir de bandes de fibre de verre ou de fibre de verre. La prochaine étape dans le développement de la production de produits composites est la mise en place d'une installation d'enroulement et de pose automatisés de charges en verre de carbone. Le premier « robot » conçu pour la pose de tissus secs type de rouleau a été démontrée par la société américaine Magnum Venus Plastech. Pour la première fois en Russie, un tel équipement a été introduit chez JSC VASO. Cet équipement permet de réaliser des pièces composites d'une longueur allant jusqu'à 8 m et d'un diamètre allant jusqu'à 3 m (Fig. 4).

Pour faciliter la pose manuelle du tissu et réduire les déchets, des machines de découpe sont utilisées pour couper automatiquement le tissu/préimprégné, projecteurs laser LAP et LPT pour la projection de contours lors de la pose de préimprégnés sur des équipements de production. Grâce au module de projection laser (Figure 5), il est possible de générer automatiquement des données de projection directement à partir du modèle 3D produit composite. Cette façon de travailler réduit considérablement les coûts de temps, augmente l'efficacité des processus, réduit le risque de défauts et d'erreurs et facilite la gestion des données. Le complexe « logiciel - machine de découpe - laser de projection », par rapport à la pose traditionnelle, réduit l'intensité de travail de découpe d'environ 50 %, l'intensité de travail de pose d'environ 30 % et augmente le taux d'utilisation des matériaux, c'est-à-dire vous pouvez économiser de 15 à 30% de matière.

Le moulage de plastiques renforcés de fibres de carbone par la méthode d'enroulement permet d'obtenir des produits présentant les caractéristiques de déformation et de résistance les plus élevées. Les méthodes de bobinage sont divisées en « sec » et « humide ». Dans le premier cas, des préimprégnés sous forme de fils, de torons ou de rubans sont utilisés pour le bobinage. Dans le second cas, les matériaux de renfort sont imprégnés d'un liant directement lors du processus de bobinage. Récemment, des équipements ont été développés qui utilisent systèmes informatiques. Cela permet d'obtenir des produits tubulaires avec des coudes et forme irrégulière, ainsi que des produits à géométrie complexe. Équipement pour le bobinage utilisant technologie flexible, lors du renforcement, les matériaux fibreux peuvent être posés sur un mandrin dans n'importe quelle direction.

Riz. 4 Machine pour le bobinage et la pose automatisés de charges en verre de carbone Viper 1200 FPS de MAG Cincinnati

Riz. 5. Système de positionnement laser (contour vert)

Équipement de contrôle de la géométrie et de la structure interne du produit

Les contours des produits présentent souvent des génératrices curvilignes, qu'il n'est pas possible de vérifier avec les méthodes traditionnelles « plaz ». Grâce à la numérisation 3D, vous pouvez déterminer dans quelle mesure un échantillon physique correspond à un modèle informatique 3D. Pour la numérisation 3D, vous pouvez également utiliser une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) à bras ou un système de numérisation optique/laser sans contact. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés, les systèmes de numérisation sans contact ne peuvent généralement pas fonctionner correctement sur des surfaces en miroir et très brillantes. Lors de l'utilisation de « bras de mesure », plusieurs réinstallations successives seront nécessaires, car l'espace de travail, en raison de la conception des bras de mesure, est généralement limité à une sphère d'un rayon de 1,2 à 3,6 m.

Aussi matériaux en fibre de verre Il existe un certain nombre de domaines problématiques. L'un des principaux est le contrôle qualité du produit fini (pas de cavités d'air) et la corrosion en cours de fonctionnement. Pour les contrôles non destructifs des coques de navires en composites, les rayons X sont largement utilisés, mais des efforts sont déployés pour les réduire pour plusieurs raisons. Récemment, des publications ont commencé à paraître décrivant la détection de délaminages par thermographie infrarouge (imageurs thermiques). Dans le même temps, les méthodes d'imagerie thermique et de CND aux rayons X détectant les délaminages ne permettent pas de mesurer leurs tailles et de déterminer la profondeur des défauts afin d'évaluer leur influence sur les changements des caractéristiques de résistance.

Conclusion

Actuellement, le développement intensif de l'automatisation de l'assemblage de produits composites, y compris des équipements de création de matrices, commence presque tout juste en Russie. Le plus souvent, ils n'effectuent que éléments individuels kit carrosserie aérodynamique pour « tuning » des voitures. La mise en œuvre du système FiberSIM au chantier naval Srednevsky lors de la conception et de la construction du dragueur de mines de base Projet 12700, ainsi que chez VASO, une machine automatique de pose de tissus, est un succès. Mais il ne s’agit là que d’exemples individuels ; pour accroître la compétitivité, l’introduction généralisée de nouvelles technologies est nécessaire.

Lien bibliographique

Chernyshov E.A., Romanov A.D. TECHNOLOGIES MODERNES POUR LA PRODUCTION DE PRODUITS À PARTIR DE MATÉRIAUX COMPOSITES // Moderne haute technologie. – 2014. – N° 2. – P. 46-51 ;
URL : http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33649 (date d'accès : 25 novembre 2019). Nous portons à votre connaissance les magazines édités par la maison d'édition "Académie des Sciences Naturelles"