Подписка 2017
Зарегистрированных посетителей: 10156

""Щелевая" пропитка под давлением для сокращения времени цикла производства изделий из композитов"

С полными текстами всех статей вы можете ознакомиться на страницах журнала
К. Хопманн, д-р, В. Михаэли, д-р, Р. Бастиан, IKV (г. Аахен, Германия)

Введение

Полимерные композиционные материалы на основе непрерывных волокон (ВПКМ) в высокой степени отвечают многим требованиям, которые прежде удавалось со значительными затратами (или не удавалось вовсе) удовлетворять с помощью традиционных конструкционных материалов. Широкое применение ВПКМ в производстве нагруженных и  в  то же время легких конструкций объясняется в первую очередь малой плотностью ВПКМ, высокими упругопрочностными свойствами и реальной возможностью целенаправленного регулирования их жесткости и прочности в соответствии с  величиной и направлением воспринимаемых изделием нагрузок.

Большим потенциалом для повышения экономичности процесса изготовления изделий из ВПКМ обладает технология пропитки под давлением волокнистых заготовок, имеющих близкую к форме готового изделия конфигурацию, термореактивными связующими с последующим их отверждением  [1–4].

Основными предпосылками для достижения экономического эффекта по сравнению с использованием предварительно пропитанных связующим слоев наполнителя (препрегов) являются более низкая стоимость волокнистых заготовок и отсутствие необходимости их хранения в условиях кондиционирования, что требуется в случае препрегов с их ограниченной жизнеспособностью [5].

В производстве высококачественных изделий из ВПКМ на практике наиболее часто используются такие варианты технологии пропитки как пропитка, под давлением (RTM: Resin Transfer Moulding) и так называемая «инфузионная» технология (RI: Resin Infusion).

Технология пропитки под давлением благодаря возможности обеспечения высокого уровня автоматизации является наиболее привлекательной для крупно- и среднесерийного производства продукции. Связанная же со значительными затратами ручного труда «инфузионная» технология применяется главным образом при изготовлении крупногабаритных изделий малыми партиями, т.  е. в тех случаях, когда использование способных выдерживать большие давления закрытых форм не представляется экономически целесообразным [3].

1. Технология «щелевой» пропитки под давлением

Для создания серийного производства высокопрочных изделий из ВПКМ необходим пригодный для полной автоматизации, надежный и воспроизводимый технологический процесс [5]. Учитывая это обстоятельство, специалисты IKV разработали так называемую технологию «щелевой» пропитки под давлением (gap impregnation process, Spaltimpraеgnierverfahren) [6]. Для ее реализации в рамках исследовательской группы 860 («Новые технологические цепочки для производства ВПКМ: интеграция заготовок, пропитка, формование и отверждение») Немецкого научно-исследовательского объединения была создана специальная установка, позволяющая проводить исследование новой технологии в рамочных условиях крупносерийного производства [6–8].

В случае «щелевой» технологии речь идет о способе производства, который благодаря использованию специальных форм и технологических приемов объединяет преимущества традиционной пропитки под давлением (возможность обеспечения высокого уровня автоматизации процесса, высокое качество поверхности изделий, малые колебания значений параметров технологического процесса) и инфузионной технологии (быстрое и равномерное распределение связующего по площади изготавливаемого изделия, пропитка заготовки в направлении ее толщины).

На рис. 1 схематично показано протекание процесса изготовления изделия с применением «щелевой» технологии пропитки под давлением. Сначала в оформляющее гнездо нижней полуформы (матрицы) помещается сухая волокнистая заготовка, после чего форма закрывается таким образом, что над заготовкой в гнезде формы остается некоторое свободное пространство в виде зазора (щели) для течения связующего.

Таким образом, заготовка в форме не подвергается уплотнению и по сравнению с традиционной технологией, редусматривающей сжатие заготовки, сохраняет повышенную пористость и, следовательно, проницаемость. Это в значительной степени способствует ускорению и улучшению процесса пропитки.

После вакуумирования гнезда формы в зазор подается определенное количество связующего, которое распределяется по всей поверхности гнезда над заготовкой, и  собственно пропитка заготовки происходит в направлении ее толщины.

Чтобы ускорить процесс пропитки и  сделать ее более равномерной, а также обеспечить более благоприятные условия для отвода воздушных включений, форма переводится в наклонное положение и позиционируется таким образом, чтобы направление движения связующего было противоположным направлению действия гравитационных сил.

После введения необходимого количества связующего в гнездо формы отверстие для подачи связующего перекрывается за счет перемещения верхней полуформы (пуансона) внутрь матрицы, осуществляемого с некоторым перекосом для создания перепада давления, более благоприятного для пропитки заготовки (см.  рис.  1).

В результате сжатия находящегося в зазоре связующего оно пропитывает оставшиеся еще сухими участки заготовки и вытесняется в направлении выходного отверстия На заключительной стадии процесса за счет перемещения внутрь матрицы правой части пуансона перекрывается канал для отвода связующего, создается действующее на всю поверхность формуемого изделия окончательное давление уплотнения заготовки и осуществляется прессование находящегося в форме пакета до толщины, соответствующей требуемому содержанию волокнистого наполнителя и связующего После отверждения связующего форма открывается и из нее извлекается готовое изделие.

Наиболее важной особенностью описанного процесса является уменьшенное время пропитки и соответственно всего цикла формования. Благодаря кратковременности стадий пропитки и сжатия термостатирование формы может осуществляться в изотермических условиях, оптимальных для отверждения связующего и необходимость в дополнительной стадии нагрева отпадает.

Кроме того, короткое время стадий пропитки и прессования позволяет использовать композиции с высокой реакционной способностью и тем самым обеспечить дальнейшее сокращение времени цикла.

Технология «щелевой» пропитки под давлением может применяться для изготовления как монолитных так и сэндвичеподобных изделий с интегрированными в их структуру подкрепляющими элементами  [8].

Сэндвичеподобный пакет при этом состоит из непроницаемого для связующего вспененного заполнителя с наложенными на обе его поверхности сухими волокнистыми заготовками. Для пропитки заготовок необходимо сначала создать с обеих сторон зазоры для течения связующего. Эта задача выполняется с помощью специальной формы с двумя перемещающимися частями и расположенным в гнезде формы центральным фикси- рующим устройством для удержания заготовки.

2. Оборудование

В целях создания полностью автоматизированного оборудования в сотрудничестве с компанией Hille Engineering (г. Аахен) была разработана и установлена в лабораторном цехе IKV установка-прототип (фото 1).

Работающая по описанной выше технологии установка состоит из регулируемого узла смыкания для перемещения держателей формы и ее частей, а также инжекционной системы.

Необходимые движения перемещения и поворота формы, а также создание давления уплотнения по всей площади формуемого изделия для каждого держателя формы осуществляются с помощью четырех винтовых механизмов. При этом винты могут приводиться в движение попарно с верхней и нижней сторон независимо друг от друга, за счет чего обеспечивается возможность поворота формы.

Каждый держатель формы позволяет создавать усилие смыкания до 250 кН. Конструкция установки допускает возможность использования форм с размерами до 1700×1700 мм. Максимальная скорость перемещения держателей формы составляет 30 мм/с.

Управление движением смыкания может осуществляться с учетом создаваемого усилия или величины перемещения. В ходе технологического процесса можно переключаться с одного режима управления на другой.

3. Оснастка для автоматизированного производства изделий

Организация крупносерийного производства предусматривает необходимость автоматизированного выполнения всех операций и переходов технологического процесса, включая подключение инжекционного устройства для подачи связующего, закрывание и открывание формы, а также выталкивание готового изделия.

Оборудование для изготовления изделий по «щелевой» технологии было разработано в рамках исследовательской группы 860, а реализация их автоматизированного производства была первоначально выполнена на примере плоских изделий.

Для этой цели использовали форму с наружными размерами гнезда равными 500×500 мм, схема которой представлена на рис.  2. Форма состоит из матрицы с оформляющим гнездом и пуансона. Для герметизации гнезда формы в ее верхней части выполнен паз, в который помещается силиконовый уплотнительный шнур. С помощью пневматически подсоединяемого инжекционного устройства со статическим смесителем в гнездо формы нагнетается связующее. По окончании этого процесса инжекционное устройство отводится назад, а статический смеситель заменяется. Интегрированная система приема и удаления излишков связующего обеспечивает возможность их отвода из гнезда формы.

Устройство для улавливания излишков связующего может открываться и закрываться с помощью пневматической системы, что позволяет удалять накопившееся в нем подотвержденное связующее. Благодаря особому конструктивному исполнению сопло для подачи связующего и система удаления его излишков не требуют выполнения работ по очистке и замене уплотнителей.

Для поддержания равномерного давления по всей площади пакета-заготовки на стадии его прессования и отверждения связующего необходимо предотвратить его вытекание в устройство для его улавливания, и потому система удаления излишков связующего должна перекрываться, что осуществляется с помощью поршня с пневмоприводом. Эта операция схематично показана на рис. 3. После отверждения связующего форма открывается и готовое изделие удаляется с помощью встроенных в обе полуформы выталкивателей, получающих движение от пневмопривода.

Для наблюдения за протеканием технологического процесса в форму вдоль пути течения связующего были встроены датчики трех типов. Наряду с предназначенными для измерения внутреннего давления в форме датчиками компании Kistler Instrumente GmbH (г. Винтертур, Швейцария) для непрерывного измерения степени отверждения связующего по изменению диэлектрических свойств были использованы три емкостных датчика компании Netzsch-Geraеtebau GmbH (г. Зельб, Германия). Кроме того, в форму были интегрированы три оптических датчика для оценки степени

рис3

пропитки волокнистой заготовки в направлении ее толщины. Сухая стекловолокнистая заготовка является светонепроницаемой, и только после смачивания волокон связующим и  заполнения им межволоконного пространства она начинает пропускать свет. Именно этот эффект используется в работе оптических датчиков. В одну часть формы был встроен светодиодный источник света, а  напротив него – в другой части формы – располагался оптический датчик, регистрирующий проходящее через пропитанную волокнистую заготовку световое излучение.

Использование упомянутых датчиков трех типов позволило непрерывно контролировать процесс и качество будущих изделий уже в процессе их изготовления. С помощью описанного оборудования со временем цикла меньше 5 мин изготавливались ВПКМ с содержанием волокнистого наполнителя, равным 50 %. Из всего времени цикла только 14 с приходится на стадии пропитки и прессования. Благодаря применению обладающей высокой реакционной способностью пропиточной системы (Araldite LY564/XB3458) компании Huntsman Advanced Materials GmbH (г. Базель, Швейцария), удалось при температуре формы, равной 100 °C, сократить время отверждения до 3 мин.

4. Сравнение «щелевой» и традиционной пропитки под давлением (RTM) Для выявления потенциальных преимуществ технологии изготовления изделий из ВПКМ с применением «щелевой» пропитки под давлением по отношению к другим известным способам пропитки под давлением, в частности к технологии RTМ, были проведены сравнительные испытания, в ходе которых плоские изделия изготавливались различными способами. При этом наряду со сравнительным анализом механических свойств изделий производилась также оценка продолжительности отдельных стадий технологического процесса.

Для изготовления изделий по технологии «щелевой» пропитки необходимо сначала надлежащим образом подготовить форму. Это означает, что наряду с очисткой и обработкой оформляющего гнезда разделительным антиадгезионным средством следует вставить новый статический смеситель в инжекционное устройство и поместить волокнистую заготовку в гнездо формы. Затраты времени на выполнение этих ручных операций составляют около 3 мин. После такой подготовки начинается процесс изготовления изделия по технологии «щелевой» пропитки, продолжающийся около 5 мин.

Таким образом, общее время цикла составляет около 8 мин. Непосредственно техпроцесс включает в себя в этом случае следующие переходы: закрывание формы, вакуумирование гнезда формы, инжекцию в гнездо формы связующего, окончательное закрывание формы и создание давления уплотнения, отверждение связующего и извлечение готового изделия из формы. Вакуумирование гнезда формы осуществлялось с помощью лабораторного вакуумного насоса в течение 1 мин. На стадии инжекции связующего, уплотнения и прессования заготовки затрачивалось всего 14 с. Изотермическое термостатирование формы при температуре 100 °C позволяет по истечении трехминутного отверждения связующего открыть форму и извлечь готовое изделие.

Для объективного сравнения технологий «щелевой» пропитки и RTM в обоих случаях были использованы одинаковое связующее, одинаковые волокнистые заготовки и принималось в расчет одинаковое время подготовки.

При проведении испытаний с применением технологии RTM была использована форма с размерами оформляющего гнезда 450×450×2 мм, что несколько меньше параметров гнезда формы в случае применения технологии «щелевой» пропитки под давлением.

Подача связующего при пропитке под давлением по технологии RTM осуществлялась через точечное отверстие, расположенное в середине изделия, а не снизу вверх с длиной течения 500 мм (см. рис. 1), как при использовании «щелевой» технологии. Для обеспечения сопоставимых значений давления его абсолютная величина в обоих случаях была зафиксирована на уровне 2,8 бар, что соответствует максимальному давлению в процессе «щелевой» пропитки. Удаление избытка связующего из формы при использовании технологии RTM осуществлялось через четыре выходных отверстия, расположенные в углах гнезда формы.

Необходимость предотвращения преждевременного отверждения связующего при реализации технологии RTM не позволяет выполнять нагрев и термостатирование формы при температуре отверждения, поэтому потребовался ступенчатый температурно-временной режим. Предварительные эксперименты показали, что термостатирование формы при температуре 50 °C обеспечивает возможность полной пропитки волокнистой заготовки связующим в течение 8 мин. Попытки же повысить температуру формы в целях снижения вязкости связующего сопровождались его преждевременным отверждением и, как следствие, невозможностью достижения полной пропитки заготовки. После полной пропитки заготовки выходные отверстия закрывались в целях создания требуемого давления прессования.

После этого форма дополнительно нагревалась с повынагрева 0,5 K/с общая продолжительность этого процесса составляет 100 с.

На рис. 4 в графической форме представлены значения продолжительности отдельных стадий и всего цикла изготовления изделий с применением обоих сравниваемых способов пропитки под давлением.

Процесс «щелевой» пропитки под давлением состоит из следующих стадий: подготовки, закрывания и вакуумирования формы, подачи связующего, нагрева, отверждения и извлечения готового изделия. Благодаря изотермическому характеру процесса стадия дополнительного нагрева в этом случае исключается.

Анализ данных, приведенных на рис. 4, показывает, что при одинаковых значениях времени подготовки, закрывания формы, ее вакуумирования, отверждения связующего и извлечения готового изделия использование «щелевой» технологии пропитки под давлением позволяет более чем на 50 % сократить общее время цикла по сравнению с процессом изготовления изделия с применением технологии RTM при давлении 2,8 бар. Решающее значение при этом приобретает быстрая, с минимальным гидравлическим сопротивлением подача связующего в гнездо формы, продолжительность которой вместе с уплотнением пропитанной заготовки составляет всего 14 с.

При этом необходимо принимать во внимание и тот факт, что обе технологии могут быть улучшены.

Для оценки потенциальных возможностей их оптимизации были рассмотрены различные реальные варианты. В частности, для ускорения пропитки заготовки и повышения экономичности процесса RTM может быть повышено давление пропитки. Ориентировочно можно считать, что при постоянной вязкости связующего увеличение перепада давления обратно пропорционально продолжительности стадии пропитки заготовки.

Следовательно, за счет увеличения давления можно было бы сократить время пропитки по технологии RTM с 480 до 72 с и тем самым уменьшить общее время цикла на 39 %. Однако недостатком такого решения является то, что повышение давления пропитки может привести к ухудшению качества пакета-заготовки и, следовательно, изделия из-за смещения отдельных слоев волокнистой заготовки.

Кроме того, для работы с повышенным давлением потребуется более прочная и потому более массивная форма, что связано с увеличением расходов на ее изготовление и на установку в целом.

В случае «щелевой» технологии также имеются достаточно большие потенциальные возможности уменьшения времени цикла. За счет использования робототехники и вводимых в связующее разделительных средств можно добиться уменьшения продолжительности подготовительной стадии и операции извлечения изделия из формы. Кроме того, с помощью специального вакуумного резервуара можно сократить до минимума время стадии вакуумирования.

За счет увеличения скорости подачи связующего и скорости закрывания формы продолжительность этих стадий можно было бы уменьшить с 14 до 10 с. Также следует иметь в виду, что уже разработаны составы связующих с временем отверждения около 2 мин.

Их применение позволило бы уменьшить время отверждения на 50 %. С учетом перечисленных мероприятий по оптимизации технологического режима общее время цикла при использовании технологии «щелевой» пропитки под давлением можно было бы сократить с 8 до 5 мин и даже менее.

5. Изготовление изделий сложной формы

Эксперименты с изготовлением плоских изделий позволили хорошо изучить и понять технологию «щелевой» пропитки под давлением. На следующем этапе работы предстояло перенести полученные результаты на производство изделий криволинейной конфигурации с перепадами толщины и с увеличенной толщиной пропитываемых волокнистых заготовок. Для этой цели была сконструирована и изготовлена специальная форма с  габаритными размерами в плане 500×500 мм. Эта форма и ее основные размеры представлены на рис. 5. Радиус кривизны формы на ее верхней половине, выполненной без перепада толщины, составлял 500 мм. Нижняя часть формы в средней части имела скачкообразное изменение толщины на 3 мм. Для наблюдения за технологическим процессом в форму интегрированы датчики давления, емкостные и оптические датчики. Результаты исследований показали, что «щелевая» технология обеспечивает возможность полной пропитки волокнистых заготовок толщиной 6 мм с получением высококачественных изделий из ВПКМ. Повышение скорости подачи связующего в форму и дальнейшая оптимизация технологического процесса позволяют и в этом случае изготавливать изделия с временем цикла меньше 5 мин. Изделие криволинейной формы одинарной кривизны с перепадом толщины показано на фото у заголовка статьи.

Следующей задачей было изготовление изделий с различными вырезами. Предусматривая наличие таких вырезов при конструировании формы, можно исключить необходимость в последующей обработке изделий и создать эффективную технологию их изготовления. Наряду с прямоугольным вырезом с размерами 40×80 мм, который может быть ориентирован как по длине, так и по ширине изделия, была реализована возможность интегрирования в форму круглой вставки диаметром 75 мм. Это позволяет протестировать разные виды вырезов и одновременно изучить особенности процессов изготовления изделий с такими вырезами. На фото 2 показано плоское изделие с прямоугольным вырезом, имеющим размеры 40×80 мм и ориентированным поперек направления инжекции связующего. Армированное волокнами изделие характеризуется высоким качеством, в том числе на участке, расположенном непосредственно позади помещенной в форму вставки.

6. Заключение и выводы

Формы и производственные установки, разработанные в рамках исследовательской группы 600 для производства продукции по технологии «щелевой» пропитки под давлением, позволяют изготавливать высококачественные изделия из ВПКМ с высоким содержанием армирующих волокон и с коротким временем цикла. Благодаря изотермическому распределению температуры в заготовке изделия обеспечивается высокая эффективность использования потребляемой энергии и исключается необходимость в дополнительном нагреве и охлаждении. После исследования возможностей форм и машин для изготовления плоских изделий удалось успешно использовать полученный опыт и изготовить высококачественные изделия из ВПКМ криволинейной конфигурации, а также изделия с вырезами.

На следующих этапах работы будет исследоваться процесс изготовления изделий сложной структуры с максимально приближенными к требованиям конкретных областей применения геометрическими характеристиками. Наряду с интегрированием в волокнистые заготовки подкрепляющих элементов предстоит изучить также особенности процесса изготовления изделий с элементами, придающими повышенную жесткость. Затем планируется оптимизировать технологический процесс с точки зрения времени цикла. Для решения этой задачи в дополнение к вакуумному резервуару и целенаправленной корректировке скоростных параметров можно использовать специальные связующие с временем отверждения около 2 мин, позволяющие на 50 % уменьшить затраты времени на реакцию отверждения.

Параллельно с реализацией этих планов в соответствии с программой, финансируемой министерством инноваций, науки и исследований земли Северный Рейнестфалия, намечено разработать технологию производства армированного углеродными волокнами капота автомобиля интегральной конструкции с gрименением технологии «щелевой» пропитки под давлением. Конструкция этого изделия криволинейной конфигурации предусматривает наличие элементов, придающих повышенную жесткость, а также различных соединительных элементов, необходимых для монтажа капота на кузове автомобиля. Большие размеры капота (102×158 см) создают определенные дополнительные сложности для переноса полученных в ходе исследований результатов в серийное производство, и в частности, в создание соответствующих форм и машин.

Литература

1. Ehrenstein G. W. Faserverbund-Kunststoffe – Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften, (2006), Carl Hanser Verlag, Muenchen – Wien.

2. Flemming M., Ziegmann G., Roth S. Faserverbundbauweisen – Fertigungsverfahren mit duroplastischer Matrix, (1999), Springer Verlag, Berlin – Heidelberg – New York.

3. Mitschang P., Neitzel M. Handbuch Verbundwerkstoffe – Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung, (2004), Carl Hanser Verlag, Muenchen – Wien.

4. Michaeli W., Wegener M. Einfuehrung in die Technologie der Faserverbundwerkstoffe, (1989), Carl Hanser Verlag, Muenchen – Wien.

5. Mitschang P. Schluesseltechnologien fuer die Preform-LCM- Prozesskette, Tagungsband 8. Internationale AVK-TV Tagung fur verstaerkte Kunststoffe und duroplastische Formmassen, 27.–28. September 2005, B9-1, Baden-Baden.

6. Heilmann S., Kleba I., Wassenberg T. Verfahren und Vorrichtung zur wirtschaftlichen automatisierbaren Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen im Harzinfusions- bzw. Vakuumverfahren, Offenlegungsschrift 101 57 655.2, 26.11.2001, Deutsches Patentamt.

7. Michaeli W., Bastian R., Fischer K. Automatisierte Fertigung von Hochleistungsbauteilen mithilfe des Spaltimpraegnierverfahrens, 25. Internationales Kunststofftechnisches Kolloquium des IKV 2010, Aachen.

8. Michaeli W., Fischer K. Untersuchungen zur Fertigung von flaechigen Bauteilen aus faserverstaerkten Kunststoffen mithilfe des Spaltimpraegnierverfahrens, Kunststofftechnik 4 (2008), Carl Hanser Verlag, Muenchen – Wien. Перевод А. П. Сергеенкова

Источник: журнал "Полимерные материалы" 2014/2




Журнал

В следующем номере

    Тема номера: СОВРЕМЕННЫЕ ЛИТЬЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
  • Прогнозирование прочности спаев в литьевых деталях из ненаполненных аморфных термопластов
  • Надежное предотвращение пиков потребления энергии
  • Эффективное использование энергии – ответ росту цен на электроэнергию
  • Литьевая технология производства деталей с декоративным покрытием за один цикл
  • Многокомпонентное литье под давлением под девизом «be smart»
  • Читать полностью

Популярные запросы

Герметик полимерный
Модульные понтоны
Заливочная машина
Экструзионно выдувные машины
Отходы пластмасс
Хлорпарафин
Литье изделий из пластмасс
Технология производства пластиковых труб
Жидкая пластмасса
Полифениленоксид

Контакты

Адрес редакции:
105066, Москва, Токмаков пер., д. 16, стр. 2

Редакция:
Главный редактор:
Гончаренко Виктор Алексеевич, д.т.н.
E-mail: victor-gonchar@mail.ru
Редактор:
Сергеенков Алексей Петрович, к.т.н.
E-mail: alexeyserg@mail.ru

Отдел подписки:
Прямая линия: 8 (800) 200-11-12
бесплатный звонок из любого региона России
E-mail: podpiska@vedomost.ru

Отдел рекламы:
Прямая линия:
+7 (499) 267-40-10
E-mail: reklama@vedomost.ru

Вопросы работы портала:
E-mail: support@polymerbanch.com

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100
Логин или E-mail
Пароль (Забыли пароль?)
Запомнить
Если Вы ещё не зарегистрированы в системе, Вам необходимо зарегистрироваться
Введите E-mail:
Sun, 22 Jan 2017 15:18:56