Technologie wytwarzania materiałów kompozytowych. Nowoczesne, zaawansowane technologie Technologie kompozytowe

1

W artykule przedstawiono stan aktulany technologie wytwarzania wyrobów z materiałów kompozytowych, w tym informacje o stosowanych technologiach, oprogramowaniu, sprzęcie do tworzenia matryc, sprzęcie do tworzenia wyrobów kompozytowych, sprzęcie do kontroli geometrii wyrobów i badania nieniszczące.

materiały kompozytowe

oprogramowanie

sprzęt do tworzenia matrycy

1. Nowoczesne materiały kompozytowe / wyd. P. Krok i L. Browman; uliczka z angielskiego – M., 1978.

2. Budowa i wytrzymałość kadłubów z włókna szklanego i kadłubów statków. Zagraniczny przemysł stoczniowy w latach 1965 – 1973 // Przemysł stoczniowy, 1973.

3. Frolov S.E. Metody tworzenia nowych makroniejednorodnych materiałów kompozytowych i rozwiązania technologiczne do wytwarzania z nich konstrukcji kadłubowych // Przemysł Stoczniowy Nr 3 2003, s. 23. 55-59.

4. CAE – technologie w 2012 roku: przegląd osiągnięć i analiza rynku. – Obserwator CAD/CAM/CAE #4 (80) / 2013.

5. Wywiad z V.A. Seredka i A.Yu. Sofronowa do magazynu CAD/CAM/CAE Observer #2 (78) / 2013.

6. Inteligentne technologie dla przemysłu lotniczego. Zwiększanie konkurencyjności krajowych przedsiębiorstw produkujących statki powietrzne na przykładzie wspólnych projektów firmy Solver i JSC VASO // CAD and Graphics, nr 1. 2011. s. 56-62.

7. Łukjanow N.P. Doświadczenie w zastosowaniu materiałów kompozytowych do budowy statków PMO // Przemysł stoczniowy. Nr 3. 2007. s. 19-26.

Materiał kompozytowy to materiał, którego struktura składa się z kilku składników o różnych właściwościach fizyko-mechanicznych: osnów metalicznych lub niemetalicznych z określonym rozkładem znajdujących się w nich wzmacniaczy, ich połączenie nadaje materiałowi kompozytowemu nowe właściwości. Ze względu na charakter struktury materiały kompozytowe dzielą się na materiały włókniste, wzmacniane włóknami ciągłymi i wąsami, materiały wzmocnione dyspersyjnie, otrzymywane poprzez wprowadzenie do osnowy zdyspergowanych cząstek utwardzaczy, materiały warstwowe powstałe w wyniku prasowania lub walcowania różne materiały.

Obecnie materiały kompozytowe są szczególnie poszukiwane w różnych gałęziach przemysłu. Pierwsze statki z włókna szklanego powstały w drugiej połowie lat 30-tych XX wieku. Od lat 50. przemysł stoczniowy z włókna szklanego stał się powszechny na świecie; zbudowano znaczną liczbę jachtów, łodzi roboczych i ratowniczych oraz statków rybackich, barek desantowych itp. Jednym z pierwszych zastosowań materiałów kompozytowych w lotnictwie było wykonanie w 1967 roku paneli z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym na tylną krawędź skrzydła samolotu F-111A. W ostatnie lata W produktach lotniczych coraz częściej można spotkać konstrukcje wykonane z trójwarstwowej „kanapki” z aluminiowym rdzeniem o strukturze plastra miodu i powłokami z włókna węglowego. Obecnie około 50% całkowitej masy samolotu Boeing 787 lub Airbus A350 stanowią materiały kompozytowe. W motoryzacji materiały kompozytowe są stosowane od dawna, opracowano głównie technologię wytwarzania aerodynamicznych zestawów karoseryjnych. Materiały kompozytowe stosowane są w ograniczonym zakresie do produkcji elementów zawieszenia i silnika.

Jednak do niedawna przedsiębiorstwa stosowały głównie ręczne układanie części z kompozytów, a seryjna produkcja wyrobów nie wymagała głębokiej automatyzacji procesów. Dziś, wraz z rozwojem konkurencji na rynku, nie da się bez tego obejść nowoczesne środki projektowania i przygotowania produkcji, a także bez skutecznego sprzętu do pracy z kompozytami.

Technologie tworzenia wyrobów z materiałów kompozytowych

W większości przypadków jako wypełniacz spoiwa stosuje się żywicę termoutwardzalną utwardzaną chemicznie, proces utwardzania charakteryzuje się egzotermią Reakcja chemiczna. Stosowane są głównie żywice poliestrowe, epoksydowe, fenolowe i wysokotemperaturowe. Najczęściej przy wytwarzaniu części o skomplikowanych konfiguracjach stosuje się technologie, których istotą jest ułożenie „suchego” podłoża, a następnie impregnacja kompozycją wiążącą („mokre” formowanie, nawijanie, wtryskiwanie, formowanie transferowe żywicy / RTM) lub naprzemiennie układanie „suchego” podłoża za pomocą kleju foliowego (impregnacja próżniowa, Resin Film Infusion / RFI). Istnieje kilka podstawowych technologii wytwarzania części z materiałów kompozytowych, obejmujących metody ręczne i zautomatyzowane:

• impregnacja włókien wzmacniających materiałem matrycowym;
• formowanie w formie taśm wzmacniających i osnowy uzyskanej przez nawijanie;
• tłoczenie na zimno elementów, a następnie spiekanie;
• elektrochemiczne powlekanie włókien z późniejszym prasowaniem;
• osadzanie matrycy poprzez natryskiwanie plazmowe na utwardzacz, a następnie prasowanie;
• wsadowe zgrzewanie dyfuzyjne jednowarstwowych taśm komponentów;
• wspólne walcowanie elementów wzmacniających z matrycą itp.

Ponadto rozpowszechniła się technologia wytwarzania części z wykorzystaniem prepregów (półproduktów składających się z materiału bazowego impregnowanego kompozycją wiążącą).

Oprogramowanie

Zadaniem zaprojektowania produktu z materiałów kompozytowych jest prawidłowy wybór kompozycje zapewniające kombinację właściwości wymaganych w konkretnym przypadku operacyjnym. Przy projektowaniu wzmocnionych polimerowych materiałów kompozytowych szeroko stosuje się komputerowe przetwarzanie danych, dla którego zostało opracowane duża liczba różne produkty programowe. Ich zastosowanie pozwala na poprawę jakości wyrobów, skrócenie czasu rozwoju i organizacji produkcji konstrukcji oraz rozwiązanie problemów ich racjonalnego projektowania w sposób kompleksowy, jakościowy i szybki. Uwzględnienie nierównomierności obciążeń pozwala na zaprojektowanie konstrukcji kadłuba ze zbrojonego kompozytu o zróżnicowanej grubości, która może zmieniać się kilkudziesięciokrotnie.

Nowoczesne oprogramowanie można podzielić na dwie grupy: te, które wykonują analizę wsadową laminatów w ujęciu „dwuwymiarowym” lub „belka/płyta” oraz w ujęciu trójwymiarowym. Pierwsza grupa to programy typu Laminator, VerctorLam Cirrus itp. Rozwiązaniem „trójwymiarowym” jest metoda elementów skończonych i tutaj duży wybór wśród dostępnych produktów oprogramowania. Na rynku „technologii modelowania kompozytów” dostępne są różne produkty programowe: FiberSim (Vistagy / Siemens PLM Software), Digimat (e-Xstream / MSC Software Corp.), Helius (Firehole Composites / Autodesk), ANSYS Composite PrepPost, ESAComp (Altair Inżynieria) i itp. .

Prawie każde specjalistyczne oprogramowanie różnych firm posiada możliwość integracji z systemami CAD wysoki poziom- Creo Elements/Pro, Siemens NX, CATIA. Ogólnie praca wygląda tak: wybierany jest materiał warstw, tzw Wspólne parametry pakietu warstw, określa się sposób formowania warstw, przy wytwarzaniu prostych części stosuje się metodę warstwa po warstwie, przy wyrobach złożonych stosuje się metody projektowania strefowego lub konstrukcyjnego. Podczas układania warstw ustalana jest ich kolejność. W zależności od metody produkcji produktu (układanie ręczne, formowanie, układanie taśm, układanie włókien) przeprowadza się analizę materiału warstwa po warstwie pod kątem ewentualnych odkształceń. Skład warstw dostosowany jest do szerokości użytego materiału.

Po zakończeniu formowania warstw użytkownik otrzymuje dane o produkcie, co pozwala na ich wykorzystanie do różnych celów, np.:

• wynik w postaci dokumentacji projektowej;
• użyj jako danych początkowych dla materiału tnącego;
• dane źródłowe dla projektora laserowego w celu wskazania konturów obszarów umieszczenia wzoru.

Iść do nowoczesne technologie projektowanie i przygotowanie produkcji wyrobów pozwala na:

• zmniejszyć zużycie materiały kompozytowe poprzez zastosowanie precyzyjnych rozwiertaków i maszyn do cięcia;
• zwiększyć prędkość i poprawić jakość ręcznego układania materiału poprzez zastosowanie precyzyjnych wykrojów i projekcji laserowych obszarów ich układania;
• osiągnąć wysoki poziom powtarzalności produktu;
• ograniczenie wpływu czynnika ludzkiego na jakość wytwarzanych produktów;
• zmniejszenie wymagań kwalifikacyjnych dla personelu zajmującego się instalacją.

Sprzęt do tworzenia matryc

Wykonanie modelu wzorcowego z drewna jest procesem pracochłonnym i czasochłonnym; w celu skrócenia czasu wykonania matrycy i zwiększenia dokładności stosuje się: trzy/pięcioosiowe frezarki CNC, maszyny kontrolno-pomiarowe czy skanery 3D.

Bramka pięcioosiowa frezarka, (Rysunek 1), jest dostępny tylko dla dużych producentów. Małe firmy wykorzystują zrobotyzowane kompleksy frezarskie na liniowych jednostkach robotów (ryc. 2) lub wykonują modele wzorcowe z sklejonych detali. W tym przypadku podstawą przedmiotu obrabianego jest sztywna pusta rama, która jest przyklejana na zewnątrz, a następnie całkowicie przetwarzana. Firmy, które nie mają możliwości przetworzenia całego produktu, idą inną drogą: Najpierw w systemie CAD z wykorzystaniem płaszczyzn budowany jest uproszczony model 3D produktu, a na jego podstawie projektowana jest sztywna rama nośna ze sklejki. uproszczony model. Potem wszystko powierzchnia zewnętrzna jest reprezentowany w systemie CAD jako okładzina ramy wewnętrznej. Wymiary okładziny dobieramy tak, aby można było ją wyfrezować na istniejącej frezarce CNC (rys. 3). Wtedy dokładnie zmontowana rama wklejony okładzina modelu. Przy tej metodzie dokładność modelu wzorcowego jest mniejsza i wymagane jest ręczne wykończenie połączeń okładzin, ale pozwala to na tworzenie produktów, których wymiary znacznie przekraczają możliwości istniejących maszyn CNC.

Ryż. 1. Frezarka pięcioosiowa MR 125 z możliwością obróbki detali o wymiarach 15x5 m i wysokości do 2,5 m

Ryż. 2. Zrobotyzowany kompleks frezujący Kuka

Ryż. 3. „Mała” frezarka pięcioosiowa

Sprzęt do tworzenia kompozytów

Pierwszym krokiem w mechanizacji procesu formowania było zastosowanie maszyn impregnacyjnych, które oprócz impregnacji zbierają tkaniny szklane lub włókno szklane do wielowarstwowych worków o łącznej grubości 4 – 5 mm. Aby zmechanizować procesy, zmniejszyć prawdopodobieństwo błędu personelu i zwiększyć produktywność, stosuje się na przykład metodę natryskiwania, dzięki której można uzyskać okładzina zewnętrzna, panele grodziowe i inne konstrukcje z włókna szklanego. Metoda natryskowa umożliwia uzyskanie kątowników formierskich metodą mechanizacji i zapewnia wyższą wydajność pracy w porównaniu do kątowników formowanych ręcznie z pasków włókna szklanego lub włókna szklanego. Kolejnym etapem rozwoju produkcji wyrobów kompozytowych jest wprowadzenie instalacji do automatycznego nawijania wypełniaczy węglowo-szklanych. Pierwszy „robot” przeznaczony do układania suchej tkaniny typ rolki została zademonstrowana przez amerykańską firmę Magnum Venus Plastech. Po raz pierwszy w Rosji taki sprzęt został wprowadzony w JSC VASO. Urządzenie to umożliwia produkcję elementów kompozytowych o długości do 8 m i średnicy do 3 m (rys. 4).

Aby ułatwić ręczne układanie tkaniny i ograniczyć ilość odpadów, stosuje się maszyny tnące, które automatycznie docinają tkaninę/prepreg, projektory laserowe LAP i LPT do projekcji konturowej podczas układania prepregu na urządzeniach produkcyjnych. Wykorzystując moduł projekcji laserowej (rysunek 5) możliwe jest automatyczne generowanie danych projekcyjnych bezpośrednio z modelu 3D produkt złożony. Taki sposób pracy znacznie zmniejsza koszty czasu, zwiększa efektywność procesów, zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia defektów i błędów oraz ułatwia zarządzanie danymi. Kompleks „oprogramowanie – maszyna do cięcia – laser projekcyjny” w porównaniu do tradycyjnego układania zmniejsza pracochłonność cięcia o około 50%, pracochłonność układania o około 30% oraz zwiększa stopień wykorzystania materiałów, tj. możesz zaoszczędzić od 15 do 30% materiału.

Formowanie tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami węglowymi metodą nawijania pozwala na uzyskanie wyrobów o najwyższych parametrach odkształcalnościowych i wytrzymałościowych. Metody nawijania dzielą się na „suche” i „mokre”. W pierwszym przypadku do nawijania wykorzystuje się prepregi w postaci nici, pasm lub taśm. W drugim materiały wzmacniające są impregnowane spoiwem bezpośrednio podczas procesu nawijania. Ostatnio opracowano sprzęt, który wykorzystuje systemy komputerowe. Umożliwia to uzyskanie wyrobów rurowych z zagięciami i nieregularny kształt, a także produkty o złożonej geometrii. Sprzęt do nawijania elastyczna technologia, gdy wzmacniające materiały włókniste można układać na trzpieniu w dowolnym kierunku.

Ryż. 4 Maszyna do automatycznego nawijania i układania wypełniaczy węglowo-szklanych Viper 1200 FPS firmy MAG Cincinnati

Ryż. 5. Laserowy system pozycjonowania (zielony obrys)

Sprzęt do monitorowania geometrii i struktury wewnętrznej produktu

Kontury produktów często posiadają krzywoliniowe generatury, których nie da się sprawdzić tradycyjnymi metodami „plazowymi”. Za pomocą skanowania 3D można określić, jak bardzo próbka fizyczna odpowiada komputerowemu modelowi 3D. Do skanowania 3D można również zastosować wysięgnikową współrzędnościową maszynę pomiarową (CMM) lub bezkontaktowy system skanowania optycznego/laserowego. Jednak w przypadku użycia bezkontaktowych systemów skanujących zazwyczaj nie mogą one działać poprawnie na powierzchniach lustrzanych i o wysokim połysku. W przypadku stosowania „ramion pomiarowych” konieczne będzie kilka kolejnych ponownych instalacji, gdyż przestrzeń robocza, ze względu na konstrukcję ramion pomiarowych, ogranicza się zwykle do kuli o promieniu 1,2-3,6 m.

Również materiały z włókna szklanego Jest wiele problematycznych obszarów. Jednym z głównych jest kontrola jakości. ukończony produkt(brak wnęk powietrznych) i korozją podczas pracy. Do badań nieniszczących kadłubów statków wykonanych z kompozytów szeroko wykorzystuje się promieniowanie rentgenowskie, jednak z wielu powodów dąży się do jego ograniczenia. Ostatnio zaczęły pojawiać się publikacje opisujące wykrywanie rozwarstwień za pomocą termografii w podczerwieni (kamery termowizyjne). Jednocześnie zarówno metody termowizyjne, jak i rentgenowskie NDT wykrywające rozwarstwienia nie pozwalają na pomiar ich rozmiarów i określenie głębokości uszkodzeń w celu oceny ich wpływu na zmiany charakterystyk wytrzymałościowych.

Wniosek

Obecnie w Rosji niemal dopiero rozpoczyna się intensywny rozwój automatyzacji montażu wyrobów kompozytowych, w tym urządzeń do tworzenia matryc. Najczęściej tylko koncertują poszczególne elementy zestaw aerodynamiczny do „tuningu” samochodów. Wdrożenie systemu FiberSIM w Stoczni Srednevsky podczas projektowania i budowy bazowego trałowca Projekt 12700, a także w automatycznej układarce tkanin VASO zakończyło się sukcesem. To jednak pojedyncze przykłady, aby zwiększyć konkurencyjność konieczne jest kompleksowe wprowadzenie nowych technologii.

Link bibliograficzny

Czernyszow E.A., Romanow A.D. NOWOCZESNE TECHNOLOGIE PRODUKCJI WYROBÓW Z MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH // Nowoczesne technologie naukowo-chłonne. – 2014. – nr 2. – s. 46-51;
Adres URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33649 (data dostępu: 25 listopada 2019 r.). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez wydawnictwo „Akademia Nauk Przyrodniczych”

Materiały kompozytowe to materiały utworzone z kilku komponentów. Wykonane są głównie z podstawy z tworzywa sztucznego, wypełniacza wzmacniającego i niektórych innych substancji. Dzięki temu kompozyt charakteryzuje się dużą wytrzymałością, sztywnością i wieloma innymi przydatnymi właściwościami.

Technologie kompozytów polimerowych to metody tworzenia materiałów, których matrycą jest polimer. Mają ogromną liczbę typów i gatunków, co zapewniło ich rozpowszechnienie i popularność. Istnieją następujące typy polimerów ceramicznych:

Włókno szklane;
tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym;
boroplastyka;
tworzywa organiczne;
polimery wypełnione proszkami;
tablice tekstowe.

Złożony materiały ceramiczne są stosowane w wielu różnych obszarach, między innymi:

Budowa;
Inżynieria elektryczna;
przemysł chemiczny;
budowa dróg;
telekomunikacja;
przemysł lotniczy itp.

Powszechność i popularność technologii kompozytowych wiąże się z wieloma zaletami tej metody wytwarzania materiałów. Warto zwrócić uwagę na następujące pozytywne cechy:

Ulepszony właściwości fizykochemiczne;
całkiem nisko środek ciężkości;
odporność na korozję, gnicie lub wypaczenie;
niska toksyczność podczas spalania;
niepalność lub trudnopalność;
wyjątkowa odporność chemiczna;
niski współczynnik rozszerzalności liniowej pod wpływem ciepła;
dość szeroki zakres temperatur funkcjonalności;
wysokie właściwości elektroizolacyjne;
zwiększona czystość środowiska.

W XXI wiek Materiały kompozytowe na bazie polimerów ceramicznych stały się jedną z dość popularnych substancji stosowanych do rozwiązywania różnych problemów wyzwania technologiczne w wielu różnych dziedzinach, zarówno w budownictwie, inżynierii, jak i innych gałęziach przemysłu. Osiągnięto to dzięki wielu zaletom, które wyróżniają kompozyty spośród innych, popularnych do tej pory rodzajów materiałów.

Powrót do zdrowia koło diagonalne pompa

Do renowacji diagonalnego koła pompy można również zastosować materiały kompozytowe. Poseł Angarsky Vodokanal zwrócił się do Ceramet z podobną prośbą o naprawę urządzenia pompującego ścieki o nazwie KSB Sewatec.

W ciągu trzech lat eksploatacji wydajność pompy spadła do 70% począwszy od pierwszego dnia jej pracy. Naprawa obejmowała odbudowę metalu, zastosowanie materiału kompozytowego i wyważenie dynamiczne. Tym samym, dzięki zastosowaniu technologii kompozytowych, możliwe było wydłużenie żywotności pompy i osiągnięcie 4,5-krotnych oszczędności.

Cechy materiału Ceramet

Kompozytowe materiały ceramiczne Ceramet mają za zadanie chronić sprzęt, przedłużając jego żywotność i zwiększając jego żywotność. Znacząco ogranicza to przestoje i konieczność zakupu dodatkowych części zamiennych.

Osobliwością materiału Ceramet jest jego dość szeroki zakres zastosowań, który obejmuje:

Naprawa sprzęt pompujący;
odnowienie ślimaków;
poprawa funkcjonalności wymienników ciepła;
naprawa rurociągów, rynien itp.

Dzięki temu materiał kompozytowy Ceramet można wykorzystać do wielu różnych celów, co jest korzystniejsze niż inne metody odnawiania sprzętu.

Poświęciłem go historii materiałów kompozytowych. W dalszym ciągu poświęcam temu tematowi swój wolny czas i dziś chcę trochę porozmawiać o terminach i technologiach wykorzystania prototypowania kompozyty polimerowe. Jeśli nie masz nic do roboty przez dłuższy czas zimowe wieczory, wtedy zawsze możesz zrobić deskę snowboardową, pokrowiec na motocykl lub etui na smartfona z tkaniny z włókna węglowego. Oczywiście proces ten może okazać się droższy niż zakup gotowego produktu, ale ciekawie jest zrobić coś własnymi rękami.

Poniżej przekroju znajduje się przegląd metod wytwarzania wyrobów z materiałów kompozytowych. Byłbym wdzięczny, gdybyś dodał mnie w komentarzach, dzięki czemu powstał pełniejszy post.

Materiał kompozytowy tworzony jest z co najmniej dwóch komponentów z wyraźną granicą między nimi. Istnieją warstwowe materiały kompozytowe - na przykład sklejka. We wszystkich pozostałych kompozytach składniki można podzielić na osnowę, czyli spoiwo, oraz elementy wzmacniające – wypełniacze. Kompozyty dzieli się zazwyczaj ze względu na rodzaj wypełniacza wzmacniającego lub materiału osnowy. Więcej o zastosowaniu kompozytów przeczytacie w poście Historia materiałów kompozytowych, a ten post skupia się na sposobach wytwarzania wyrobów z kompozytów.

Formowanie ręczne

W przypadku produkcji pojedynczych sztuk najczęściej stosowaną metodą jest formowanie ręczne. Na przygotowaną matrycę nakłada się żelkot - materiał pozwalający uzyskać dobre wykończenie zewnętrznej części wzmacnianego materiału, co pozwala również na dobranie koloru produktu. Następnie w matrycę umieszcza się wypełniacz - na przykład włókno szklane - i impregnuje spoiwem. Usuwamy pęcherzyki powietrza, czekamy, aż wszystko ostygnie i kończymy pilnikiem - wycinamy, wiercimy i tak dalej.

Metoda ta jest szeroko stosowana do tworzenia części karoserii samochodów, motocykli i motorowerów. Oznacza to, że do strojenia w przypadkach, gdy nie ogranicza się do naklejenia folii „o wyglądzie węgla”.

Rozpylanie

Natryskiwanie nie wymaga cięcia materiału szklanego, ale w zamian jest konieczne jego użycie specjalny sprzęt. Ta metoda często z nim pracowałem duże obiekty, takie jak kadłuby łodzi, pojazdy i tak dalej. Podobnie jak w przypadku formowania ręcznego, najpierw nakłada się żelkot, a następnie materiał szklany.

RTM (wtrysk)

W metodzie wtryskiwania żywicy poliestrowej do formy zamkniętej wykorzystuje się urządzenia z matrycy i przeciwformy – stempla. Pomiędzy matrycę a formę reakcyjną umieszcza się materiał szklany, następnie do formy pod ciśnieniem wlewa się utwardzacz – żywicę poliestrową. No i oczywiście wykończenie pilnikiem po utwardzeniu - do smaku.

Infuzja próżniowa

Metoda infuzji próżniowej wymaga worka, w którym za pomocą pompki wytwarza się próżnię. Sam worek zawiera materiał wzmacniający, którego pory po odpompowaniu powietrza zostają wypełnione płynnym spoiwem.

Przykładem metody jest wykonanie deskorolki.

Meandrowy

Metoda nawijania kompozytów umożliwia wykonanie ultralekkich butli na sprężony gaz, do których wykorzystuje się wykładzinę PET pompowaną do 2-5 atmosfer, a także rur kompozytowych stosowanych w przemyśle naftowym, chemicznym i użyteczności publicznej. Z nazwy łatwo zrozumieć, że włókno szklane jest owinięte wokół poruszającego się lub nieruchomego obiektu.

Film przedstawia proces nawijania włókna szklanego na cylinder.

Pultruzja

Pultruzja to „przeciąganie”. W tej metodzie następuje ciągły proces przeciągania materiału kompozytowego przez maszynę ciągnącą. Prędkość procesu wynosi do 6 metrów na minutę. Włókna przechodzą przez kąpiel polimerową, gdzie są impregnowane spoiwem, a następnie przechodzą przez urządzenie do wstępnego formowania w celu uzyskania ostatecznego kształtu. Materiał jest następnie podgrzewany w formie w celu wytworzenia końcowego, utwardzonego produktu.

Proces wytwarzania grodzic metodą pultruzji.

Bezpośrednie prasowanie

Wyroby termoplastyczne produkowane są w formach pod ciśnieniem. W tym celu wykorzystuje się wysokotemperaturowe prasy hydrauliczne o sile od 12 do 100 ton oraz maksymalna temperatura około 650 stopni. W ten sposób powstają na przykład plastikowe wiadra.

Formowanie w autoklawie

Autoklaw jest niezbędny do prowadzenia procesów w temperaturze i ciśnieniu wyższym od ciśnienia atmosferycznego, aby przyspieszyć reakcję i zwiększyć wydajność produktu. Materiały kompozytowe umieszczane są wewnątrz autoklawu na specjalnych formach.

Produkty kompozytowe

Materiały kompozytowe są szeroko stosowane w produkcji samolotów. Z nich zbudowany jest na przykład Solar Impulse.

Branża motoryzacyjna

Protezy i ortezy.

Jeśli macie jakieś dodatki, koniecznie napiszcie o nich w komentarzach. Dziękuję.

T technologia kompozytów rozwiązuje problem uzyskania wzmocnionych materiałów. Słowo technologia pochodzi od dwóch greckich słów: techne – umiejętność i logos – słowo, nauczanie. Zwykle w nazwach tego typu druga część „logia” odpowiada pojęciu „nauka”. Na przykład zoologia jest nauką o zwierzętach, geologia jest nauką o budowie Ziemi. Przez analogię technologię należy zdefiniować jako naukę o rzemiośle.

Technologia kompozytów – dział technologii materiałów

Jednak słowo „nauka” obok słowa „technologia” pojawiło się stosunkowo niedawno. Technologia jest zwykle definiowana jako zbiór metod. Jeśli mówimy o O technologia materiałów, to jest to zestaw metod pozyskiwania i przetwarzania materiałów.
Włókna jako składniki materiału. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu można było zgodzić się z tą definicją. A dzisiaj niewątpliwie wymaga wyjaśnienia. Dziś technologia materiałowa to nie tylko zespół metod, ale także nauka o otrzymywaniu i przetwarzaniu materiałów, która ma swoje własne podstawy teoretyczne (teoria procesów metalurgicznych, teoria obróbki ciśnieniowej, teoria obróbki cieplnej itp.) , własne metody badawcze, własne zasady. A tworzenie nowych materiałów jest nie do pomyślenia bez wykorzystania jego osiągnięć. Mając to jednak na uwadze, nie powinniśmy zapominać o pierwszej części słowa. W końcu technologia to także umiejętności. A umiejętność jest pokrewna sztuce. Aby zostać dobrym technologiem, oprócz wiedzy trzeba mieć pomysłowość i pomysłowość. Potrzebny jest także talent. Jednak te cechy nie są zbędne w żadnym biznesie. W tworzeniu materiałów biorą udział ludzie różne specjalności. Teoretycy materiałów to fizycy, chemicy i mechanicy, którzy studiują ogólne wzorce zachowanie materiałów. Materiałoznawcy-technolodzy to specjaliści, którzy wykorzystują te wzorce do tworzenia nowych materiałów i opracowywania metod ich wytwarzania. Są łącznikiem pomiędzy teorią i praktyką. Są też technolodzy produkcji, którzy pracują bezpośrednio w fabrykach i opracowują procesy wytwarzania produktów w warunkach przemysłowych. Porozmawiamy o pracy materiałoznawców i technologów.

Technologia kompozytów - zadanie dla specjalisty

Weźmy na przykład Specjalista technologii kompozytów. Jakie problemy musi rozwiązać? Oto jeden z nich. Dane: włókna boru nawinięte na szpulki; aluminium (w dowolnej formie - arkusze, drut, proszek, stop) możemy wybrać według własnego uznania. Wymagane: połączyć ze sobą włókna i osnowę aluminiową, uzyskując w ten sposób aluminium borowe o wysokiej wytrzymałości. Technolog musi zdecydować, jak to zrobić. Aby rozmowa była bardziej konkretna, porozmawiajmy o tym, jak uzyskać taki kompozyt w postaci arkusza, w którym wszystkie włókna są równomiernie rozłożone na przekroju i ułożone równolegle do siebie. Rozwiązanie danego problemu oznacza udzielenie odpowiedzi na trzy podstawowe pytania:

1. Jak zapewnić ułożenie włókien w danym kierunku?
2. Jak wprowadzić włókna do osnowy, aby otrzymać arkusz o wymaganej strukturze i właściwościach?
3. Jak zapobiec zmiękczeniu i zniszczeniu włókien podczas procesu produkcyjnego materiału, zapewniając jednocześnie ich mocne połączenie z osnową?

Pytanie „jak?” stale poszukuje technologów. I zawsze pojawia się obok niego Stałym towarzyszem- "Dlaczego?". Odpowiedz na pytanie „dlaczego?” - oznacza znalezienie przyczyny powodującej to lub inne zjawisko. A odpowiedź na pytanie „jak?” musi wskazywać sposoby rozwiązania problemu. Każdy specjalista zajmujący się nauką zmuszony jest do ciągłego poszukiwania odpowiedzi na te pytania i nie ma nadziei na pozbycie się ich. Gdy tylko odpowiesz na jedno, pojawia się kolejne, a to z kolei rodzi lawinę nowych „dlaczego?” I jak?". A jeśli przestaną się martwić, on przestanie być naukowcem. Ale nadal najważniejszą rzeczą dla technologa jest odpowiedź na pytanie „jak?” To jest jego praca. Sformułowano trzy główne pytania, które należy wziąć pod uwagę przy rozwiązywaniu problemu technologicznego. Spróbujmy na nie odpowiedzieć.

Jak orientować włókna w kompozycie

Zacznijmy od porządku. Jak orientować włókna w kompozycie? Gdyby były wystarczająco grube, jak stalowe pręty, którymi są wzmocnione, nie byłoby żadnych specjalnych problemów. Można pojedynczo umieszczać je w specjalnie przygotowanych gniazdach.
Włókna jako podstawa kompozytów. Mamy jednak do czynienia z cienkimi włóknami o średnicy około 100 mikronów. W arkuszu o grubości 5 mm i szerokości 500 mm zmieści się ich ponad 100 tys., ręczne ułożenie każdego włókna w wyznaczonym do tego miejscu jest zadaniem wyraźnie nierealnym. Może to zrobić maszyna. Należy pamiętać, aby włókna nie stykały się ze sobą, muszą być umieszczone w pewnej odległości od siebie, aby zapewnić wymagane stężenie w matrycy. Tutaj możesz zaoferować kilka opcji, ale prawdopodobnie jedną z najlepszych jest ta, która jest dziś powszechnie stosowana w praktyce - metoda nawijania. Weź cylindryczny bęben, którego obwód jest równy długości przyszłego arkusza i zainstaluj go tokarka i nawinąć na nią włókna w określonej odległości. Pomysł polega na tym, aby następnie przeciąć wszystkie włókna wzdłuż tworzącej cylindra i rozłożyć je na płaszczyznę, uzyskując jedną warstwę równoległych włókien. Długość tej warstwy jest równa obwodowi bębna. I żeby oszczędzać wzajemne porozumienie włókna w warstwie, przed cięciem należy je jakoś przymocować do siebie. Można go np. posmarować klejem i po wyschnięciu przeciąć wzdłuż linii. W takim przypadku wybierz klej tak, aby w razie potrzeby można go było łatwo usunąć, powiedzmy, spalić przez ogrzewanie.

Jak wprowadzić włókna do matrycy

Ale lepiej jest zrobić wszystko inaczej. Użyj samego materiału matrycowego jako środka mocującego. Można wtedy wykonać dwa zadania na raz, aby właściwie utrzymać technologię kompozytową: naprawić włókna w wymaganej pozycji i jednocześnie wpisz je do matrixa, czyli odpowiedzieć na drugie główne pytanie naszego zadania. Niezły pomysł. Ale znowu pojawia się ten sam dokuczliwy problem – jak? Jak to zrobić? Bez znajomości fizyki i chemii nie da się obejść.

Metoda elektrochemiczna

Może być użyte metoda elektrochemiczna, nakładając powłokę galwaniczną z metalu osnowy na bęben z nawiniętymi na nim włóknami. W zasadzie nie jest to bardzo trudne, ale:

1. zabiera dużo czasu
2. nie wszystkie metale można zastosować w ten sposób,
3. W przypadku stopów złożonych trudno jest zapewnić pożądany skład osnowy.

Ale w przypadku niektórych kompozytów, na przykład z matrycami wykonanymi z miedzi lub niklu, metoda jest całkiem akceptowalna. Chociaż lepiej byłoby znaleźć coś bardziej uniwersalnego. Możesz wymyślić inny sposób. Wystarczy zanurzyć bęben z nawiniętymi włóknami w roztopionym aluminium i po wyjęciu szybko ostudzić do momentu krystalizacji. Wydaje się to proste, jednak ta prostota jest zwodnicza. Ciekły metal będzie odpływał, przez co nie będzie możliwe równomierne pokrycie osnową całej monowarstwy. Ponadto w niektórych przypadkach stopiony metal może aktywnie oddziaływać z samym bębnem, powodując korozję jego powierzchni i powierzchni włókien, co jest wyjątkowo niepożądane, ponieważ bęben straci swoje wymiary, a włókna zmiękną i staną się kruche .

Natryskiwanie plazmowe powłok

Oto najbardziej odpowiednia opcja. Używać natryskiwanie plazmowe powłoki. W tej metodzie materiał matrycy topi się w strumieniu niskotemperaturowej plazmy (zjonizowanego gazu zawierającego m.in Średnia temperatura około 10 000 K), tym samym strumieniem jest on natryskiwany i przenoszony na powierzchnię bębna pokrywając włókna i wypełniając szczeliny pomiędzy nimi. Przepływ plazmy uzyskuje się za pomocą specjalnego urządzenia - plazmatronu, w którym gaz roboczy (azot, argon, wodór, hel itp.) ulega jonizacji pod działaniem wyładowania łukowego. Choć plazma wytwarzana w konwencjonalnych plazmotronach nazywana jest niskotemperaturową, to właśnie ta „niska” temperatura (10 000 K) jest wystarczająca do stopienia dowolnego materiału występującego w przyrodzie. Krople roztopionego metalu docierają do zimnego bębna i oddając mu ciepło, krystalizują, tworząc jednolitą powłokę na bębnie, jeśli jest on równomiernie obracany. Materiał przeznaczony do natryskiwania (w naszym przypadku aluminium) wprowadzany jest zazwyczaj do strumienia plazmy w postaci proszku lub drutu. Zewnętrznie proces aplikacyjny powłoki plazmowe przypomina malowanie pistoletem natryskowym. Tylko zamiast pistoletu natryskowego jest plazmatron, a zamiast farby stop matrycowy. Zasadniczo nie jest konieczne używanie w tym celu plazmy; palnik gazowy lub inne urządzenie, ale natryskiwanie plazmowe jest bardzo wygodne i ma szerokie zastosowanie przy tworzeniu kompozytów. Otrzymaną po natryskiwaniu wzmocnioną monowarstwę przecina się wzdłuż jednej z tworzących walca i rozkłada na płaszczyznę. Wytrzymałość powłoki jest wystarczająca, aby zapobiec przesuwaniu się włókien względem siebie, ale nie na tyle, aby zapewnić wysoką wytrzymałość kompozytu. Grubość powstałych monowarstw wynosi zwykle od półtora do dwóch średnic włókien, czyli około 200 mikronów, a przypomnę, że potrzebujemy arkusza o grubości 5 mm. Co powinienem zrobić? Znowu „jak?”

Walcowanie jednowarstwowe

Tym razem nie musisz długo szukać odpowiedzi: musisz to zrobić warstwowe ciasto z powstałych monowarstw, czyli zebrać je w opakowaniu wymagana grubość i jakoś je uszczelnić, łącząc je nierozerwalnie ze sobą. Można tego dokonać np. walcowanie monowarstw lub prasowanie na gorąco. W pierwszym przypadku opakowanie jest podgrzewane w piecu i przepuszczane pomiędzy obracającymi się walcami. Podczas walcowania monowarstwy łączą się w materiał monolityczny, a materiał osnowy w każdej monowarstwie ulega zagęszczeniu, co prowadzi do wzrostu wytrzymałości osnowy i siły jej połączenia z włóknami.

Prasowanie na gorąco monowarstw

Czasami bardziej celowe jest zagęszczanie pakietów monowarstw nie przez walcowanie, ale prasowanie na gorąco. W tym celu umieszcza się je w formie, której długość i szerokość płaszczyzny roboczej odpowiada wymiarom monowarstw, i dociska od góry stemplem. Forma jest podgrzewana w celu osiągnięcia wymaganej temperatury procesu. Podgrzewany worek ulega zagęszczeniu, stąd nazwa – prasowanie na gorąco. Aby pomiędzy monowarstwami powstało silne wiązanie i aby wszystkie cząstki osadzonego metalu osnowy zespawały się ze sobą, tworząc monolit, konieczne jest utrzymywanie go pod ciśnieniem, co umożliwi przebieg procesów dyfuzyjnych. To właśnie te procesy wraz z ciśnieniem zapewniają wysoki poziom właściwości mechaniczne nasz tort warstwowy. Dlatego też tę metodę wytwarzania kompozytów nazywa się czasem zgrzewaniem dyfuzyjnym.

Technologia kompozytowa w postaci pręta lub złożonego profilu

W związku z postawionym zadaniem odpowiedzieliśmy na drugie pytanie – jak wprowadzić włókna do matrycy. Ale co, jeśli potrzebujesz kompozytu w postaci pręta lub złożony profil? Kolejne „jak”. Możesz ponownie skorzystać zwijanie worków jednowarstwowych, tylko nie w gładkich rolkach, ale w kalibrowanych, czyli posiadających specjalne nacięcia odpowiadające wymaganej konfiguracji. Lub możesz skorzystać z tzw metody fazy ciekłej, gdy osnowa w trakcie wytwarzania kompozytu znajduje się w stanie ciekłym. Włókna rozwijające się ze szpul (liczba szpul jest równa liczbie włókien w kompozycie) przechodzą nie stykając się ze sobą przez kąpiel roztopionego metalu osnowy, są przez nią zwilżane i wchodzą do matrycy, która tworzy pręt o pożądanym przekroju. Następnie pręt jest chłodzony, metal osnowy twardnieje, tworząc materiał kompozytowy z włóknami. W ten sposób możliwe jest uzyskanie prętów o szerokiej gamie profili. Produkty o skomplikowanych profilach, takie jak łopatki turbin, można wygodnie wytwarzać metodą impregnacji. Włókna umieszcza się w formie odlewniczej, której wnęka robocza odpowiada kształtowi ostrza (jak to zrobić, to osobna kwestia, której teraz nie będziemy rozważać, ale da się to zrobić, choć nie jest to łatwe), a następnie ciecz metal osnowy wlewa się do formy. Szczeliny między włóknami są zwykle małe i stopionym metalem trudno jest je wypełnić, ale należy je wypełnić tak szybko, jak to możliwe, aby włókna nie miały czasu rozpuścić się w osnowie. Dlatego w większości przypadków impregnację przeprowadza się pod ciśnieniem. Forma odlewnicza jest opróżniana, a ciekły metal dostaje się pod nią ciśnienie atmosferyczne. Z reguły do ​​szybkiej i niezawodnej impregnacji wystarcza różnica ciśnień wynosząca jedną atmosferę. Dzieje się tak jednak tylko wtedy, gdy włókna są zwilżane przez stopiony metal osnowy. Jeśli tak się nie stanie, należy podjąć działania. Na przykład włókna węglowe nie są zwilżane przez ciekłe aluminium, więc nie jest możliwe otrzymanie węgla-aluminium po prostu poprzez impregnację aluminium w nici grafitowe. Ale jeśli najpierw pokryjesz te wątki najcieńsza warstwa chromu lub niklu (wystarczy nałożyć powłokę o grubości jednego mikrometra), które są dobrze zwilżone przez aluminium, zapewniona zostanie impregnacja i można uzyskać kompozyt. Głównym zajęciem technologa jest odpowiadanie na pytanie „jak?”. Jak to zrobić? Prawidłowych odpowiedzi na to pytanie można udzielić, jeśli znane są odpowiedzi na pytanie „dlaczego?”. Jeśli wyobrazisz sobie mechanika samochodowego, który wie, jak dokręcić śruby i nakrętki, ale nie zna budowy samochodu. Jest bezwartościowy. Podobnie technolog, który nie rozumie fizyki procesów zachodzących przy uzyskiwaniu materiału, jest gorszym specjalistą. Na przykład technolog wie, że w wielu przypadkach kompozyt po nagrzaniu mięknie. Od razu pojawia się problem – jak sobie z tym poradzić? To pytanie jest podobne do trzeciego pytania „jak?” postawionego na początku rozmowy. Aby rozwiązać ten problem, trzeba wiedzieć, dlaczego następuje zmiękczenie kompozytu. Odpowiedź na te pytania daje technologia kompozytowa.

Kompleks robotyczny Dla obróbka produkty wykonane z materiałów kompozytowych przeznaczone są do mechanizacji i automatyzacji niektórych z najbardziej pracochłonnych operacji w cyklu technologicznym:

• Przycinanie i usuwanie wypływki technologicznej
• Frezowanie rowków, wgłębień i pozycjonerów pod elementy osadzone
• Wiercenie i frezowanie otworów przelotowych o skomplikowanych kształtach
• Frezowanie otworów przelotowych duże rozmiary(otwory okienne, włazy itp.)

Kompleks robotyczny pozwala zapewnić następujące korzyści:

• Zwiększona prędkość przetwarzania w porównaniu do metod ręcznych
• Wysoka powtarzalność i jakość obróbki
• Frezowanie z wysoka jakość krawędzie „jednego przejścia”.
• Poprawa warunków pracy
• Tworzenie dodatkowych stanowisk pracy wymagających dużej wiedzy

Na metoda kontaktu Podczas formowania materiał szklany jest ręcznie impregnowany żywicą za pomocą pędzla lub wałka. Impregnację można przeprowadzić jednocześnie z walcowaniem w formie lub osobno. Walcowanie przeprowadza się w celu usunięcia powietrza z laminatu i równomiernego rozprowadzenia spoiwa.