Технология изготовления изделий из композиционных материалов.

Изделия из полимерных композиционных материалов могут быть получены различными способами. В промышленном производстве наибольшее распространение получили метод намотки и прессования. Прессование может осуществляться с использованием смеси предварительно нарубленного волокна и полимерного связующего. Может быть также применен способ предварительной выкладки армирующей основы с последующей пропиткой связующим и прессованием. При нарубке волокна его оптимальная длина определяется из условия равнопрочности разрыва волокна и выдергивания его из матрицы. При предварительной выкладке волокна прочность изделия из КМ будет выше, т.к. волокно располагается по направлениям силовых потоков, возникающих при эксплуатационных нагрузках и, следовательно, более полно воспринимает нагрузку. Однако производительность при этом методе ниже, чем при прессовании изделий из массы полимера и рубленного волокна.

Наиболее широкое распространение получил метод намотки. При этом существует метод сухой и мокрой намотки. Рассмотрим метод мокрой намотки. Намотка осуществляется на оправку, установленную на станок с числовым программным управлением. Этот метод носит также название метода спиральной намотки. Имеются промышленные станки российского или зарубежного производства с ЧПУ. Указанные станки имеют пять степеней свободы, что позволяет обеспечивать намотку изделий сложной конфигурации. При этом за счет пяти координат, по которым имеют возможность перемещаться исполнительные элементы станка, может быть обеспечено изготовление изделий достаточно сложной конфигурации с требуемым профилем толщины стенки. Вместе с тем этот метод изготовления подходит для изделий, по форме близких к телам вращения. Элемент станка, называемый лентоукладчик, имеет четыре степени свободы: перемещение по трем координатам в пространстве и вращение вокруг своей оси. Пятая координата обеспечивается вращением оправки в центрах станка, на которую осуществляется намотка изделия. Оправка может быть одноразовой или многоразовой. Одноразовая оправка изготавливается из дешевых материалов, например, из гипса. Для обеспечения требуемой точности и частоты поверхность оправки обрабатывают механическим путем. Многоразовая оправка изготавливается, как правило, из металла. Для того, чтобы в процессе изготовления композиционный материал не прилипал к оправке, ее поверхность покрывается специальным составом, например, жаростойким фторопластом. Укладка композита на поверхность оправки осуществляется по заранее разработанной программе. При этом схема намотки разрабатывается таким образом, чтобы армирующая основа располагалась по направлениям силовых потоков. После намотки изделия на оправку в соответствии с разработанной программой и расчетной схемой намотки, оно направляется в печь на полимеризацию. Процесс полимеризации длится 3-4 часа при температуре 130 град. С. После полимеризации изделие на оправке отправляется на механическую обработку отдельных поверхностей. Следующим этапом является съем с оправки или ее удаление из готового изделия. Заключительным этапом является контроль качества поверхностей изделия и соответствия геометрических параметров требуемым.

Недостатком изложенного способа изготовления является то, что это производство с вредными условиями. Пары связующего создают неблагоприятные в экологическом плане условия производства. Более прогрессивной и экологически благополучной является технология намотки препрегом. Препрег – это предварительно сформированная, пропитанная и частично полимеризованная лента. Препреги получают в специальных герметичных башнях. Техпроцесс изготовления изделия с использованием препрегов принципиально ничем не отличается от метода мокрой спиральной намотки и носит название метода «сухой намотки».

На рис.11.1 представлен станок для спиральной намотки изделий из КМ.

Рис11.1

На рис 11.2 представлена многоразовая оправка для спиральной намотки изделия из КМ.

Для извлечения оправки из готового изделия после полимеризации ее сферическая часть выполнена в виде сегментов. Полюсная часть изделия из КМ имеет отверстие, диаметр которого соответствует максимальному диаметру вставки поз. 5. Гайка, поз. 4 является контровочной, служит для удержания в сборе сегментов поз. 2, которые при разборке могут быть извлечены по отдельности из готового изделия через полюсное отверстие. Вал, поз.1 служит для установки оправки в центры станка намоточного. Цилиндрическая часть оправки, поз. 6 выполнена из КМ и после изготовления изделия и извлечения оправки остается внутри готового изделия.

Приоритетными направлениями применения композитов и изделий из них являются:

- транспортное машиностроение и автомобилестроение (элементы силового каркаса, корпусные детали для малой авиации, беспилотных летательных аппаратов; элементы экстерьера и интерьера транспортных средств, полуприцепов, самосвальных платформ и железнодорожного транспорта, детали и узлы двигателей внутреннего сгорания, элементы ленточных конвейерных линий, изделия для укрытия и защиты транспортных средств);

- транспортная инфраструктура (пролётные строения, настилы, тротуары, ограждающие конструкции, конструктивные элементы автомобильных мостов, водопропускные трубы для автомобильных и железных дорог, шумозащитные экраны, временные переезды и мобильные дорожные покрытия, системы внешнего армирования, углекомпозитные канаты для вант мостов и преднапряжения железобетонных конструкций, опоры для железнодорожной контактной сети, осветительные опоры и др.);

- строительная индустрия (оконные и дверные конструкции, типовые быстровозводимые модульные конструкции, арматуры из полимерных композиционных материалов, ограждающие конструкции, конструкции градирен, ремонтные материалы, ламели, в т.ч. на основе инфоркомпозитов, покрытия на остекление, в т.ч. светоограждающее и антивандальное);

- энергетика и электроника (сердечники электропроводов, платы электромонтажа, силовые элементы турбин, опорные изоляторы и изоляторы высоковольтных линий электропередач, электросоединители и электроразьёмы, элементы конструкции полупроводниковых приборов силовой электроники, экранирующие защитные корпуса и панели для развязки электронного оборудования и подавления помех и др.);

- жилищно-коммунальное хозяйство (трубы, детали трубопроводов и трубопроводные системы, ёмкости из композиционных материалов);

- физкультура и спорт (спортивный инвентарь, полимерные покрытия для спортивных сооружений).

Основными приоритетами государственной региональной политики, направленной на повышение внедрения композитов являются:

- стимулирование расширение объёмов действующих и создания новых производств композитов, конструкций и изделий из них;

- стимулирование спроса и применения композитов через систему государственных закупок

Порядок выполнения лабораторной работы:

1. Ознакомится с теорией технологии изготовления и применения КМ

2. Разработать маршрут изготовления изделия типа «кокон» (для вариантов 1-4), изделия типа «полукокон» (вариант 5-8) с использование оправки, рис. 11.2. Принять, что полюсное отверстие «кокона» равно максимальному диаметру вставки поз. 5.

3. Описать основные функции составляющих частей станка с ЧПУ намоточного, рис. 11.2

4. Описать наиболее значимые для РБ области применения изделий из КМ

5. Составить письменный отчет по лабораторной работе.

Лабораторная работа № 12 (2 часа)