EN
Совершенствование подготовки рулонов углеродного волокна и процедур укладки
Точная укладка: размотка, резка и выравнивание рулона углеродного волокна
Правильная настройка процесса разматывания критически важна для успешной работы всей системы. Системы с регулированием натяжения помогают предотвратить деформацию и повреждение волокон при их подаче через станок. Что касается резки, ультразвуковая резка, в отличие от резки ножницами, обеспечивает получение чистых кромок без осыпания и термического повреждения. Лазерные направляющие обеспечивают точное выравнивание отдельных волокон с отклонением не более чем на 0,5 градуса. Почему это важно? В последнем выпуске журнала «Composites Journal» исследователи отметили, что, согласно их анализу, отклонение всего на один градус приводит к снижению прочности на растяжение на 7 %. При формовании многослойного пакета сложной геометрии, например трёхмерного контура, специализированные роботы наносят клей таким образом, чтобы сохранялось правильное взаимное расположение слоёв при переносе на следующую рабочую поверхность. Существует также ряд других параметров, требующих контроля: например, борьба со статическим электричеством в системах для предотвращения подъёма волокон в воздух и поддержание относительной влажности на уровне ниже 40 % во избежание преждевременного поглощения смолами влаги.
Работники осматривают подсвечиваемый узор плетения, чтобы проверить его однородность перед заливкой любых материалов в формы.
Сравнительная оценка методов WET Lay-Up, Prepreg и RTM: выбор технологии в зависимости от типа рулонной формы углеродного волокна и объёма производства
Оптимальный метод уплотнения зависит от требований к эксплуатационным характеристикам, объёму выпуска и стоимости.
Требуется отверждение в автоклаве
При мокром способе формования (Wet Lay Up) используется смола, которая наносится вручную на сухие рулоны углеродного волокна; этот метод наиболее подходит для изделий со сложной геометрией. Однако объём производства, как правило, невелик. Средняя стоимость оснастки при таком способе, как правило, на 80 % ниже стоимости оснастки при технологии RTM. Преимпрегаты (prepregs) обладают преимуществом перед мокрым способом благодаря более высокой однородности готовых деталей и значительно лучшим механическим свойствам. Такая однородность достигается за счёт того, что смола уже пропитывает волокно на этапе изготовления преимпрегата. Однако производство преимпрегатов требует специального хранения при низких температурах, а также особого — и отчасти сложного — обращения на всём протяжении всего процесса изготовления. Тем не менее и при технологии RTM производители сталкиваются со сложностью метода: полимеры вынуждены протекать под давлением через сухие волокна (волокна, пропитанные смолой) внутри замкнутой формы, что приводит к чрезмерному содержанию воздушных пустот и крайне низкой воспроизводимости характеристик пропитанных смолой волокон в разных партиях. Это означает, что одним из наиболее ограничивающих факторов является, помимо стоимости самих форм, необходимость инвестиций свыше полумиллиона долларов США в оборудование для их изготовления. Именно высокий порог инвестиций способствует тому, что большинство небольших предприятий избегают применения технологии RTM и вместо этого используют менее сложные технологические процессы.
Выбор систем смол и оптимизация процесса отверждения для интеграции рулонов углеродного волокна
Почему эпоксидные смолы являются эталоном для переработки конструкционных рулонов углеродного волокна
Непревзойдённая адгезия, термостойкость и контроль технологического процесса делают эпоксидные смолы эталоном для конструкционных применений с использованием рулонов углеродного волокна.
Межслойная прочность на сдвиг:
- критична для несущих слоистых материалов и превышает 65 МПа.
- рабочая температура позволяет применять материалы в аэрокосмической отрасли и в высокопроизводительных автомобильных системах — до 180 °C (356 °F).
- многоступенчатые циклы отверждения позволяют снизить остаточные напряжения и образование микротрещин.
Гравиметрический анализ показал, что поддержание соотношения смолы к волокну в диапазоне 35–40 % по массе позволяет удерживать содержание пор ниже 2 % и соответствовать требованиям стандарта ASTM D3039 по испытанию на растяжение. Рассмотрение вопросов стоимости, времени отверждения и совместимости рулонов углеродного волокна при использовании альтернативных смол — полиэфирных и винилэфирных
Хотя эпоксидные смолы обеспечивают самый высокий стандарт, конкуренты предлагают наибольшую рентабельность либо за счёт более низкой стоимости, либо за счёт более высокой скорости производства:
Тип смолы | Стоимость относительно эпоксидной смолы | Макс. рабочая температура | Совместимость с рулонами углеродного волокна
Полиэфирная | На 60–70 % ниже | 80 °C (176 °F) | Умеренная — склонна к осмотическому вспучиванию
Винилэфирная | На 40–50 % ниже | 100 °C (212 °F) | Высокая — превосходная химическая стойкость
Отверждение винилэфирной смолы при комнатной температуре занимает 2–4 часа, что значительно быстрее, чем отверждение эпоксидной смолы (12–15 часов), и позволяет осуществлять быстрое прототипирование и производство неструктурных панелей. Потеря прочности на сжатие на 15–20 % зачастую более чем оправдана. Во многих случаях — например, при изготовлении морских палуб или панелей для автомобильных кузовов — отказ от эпоксидной смолы позволяет сэкономить свыше 25 долларов США за квадратный метр при сохранении требуемых эксплуатационных характеристик.
Конструирование форм и оснастки для надёжного производства рулонов углеродного волокна
Требования к материалу, отделке поверхности и термостойкости для прокатки углеродного волокна
Эффективность формы зависит от взаимодействия трёх факторов: прочности материала, долговечности поверхности и стабильности температуры; совместное влияние этих трёх факторов определяет эксплуатационные характеристики прототипа формы. В этом отношении прототип может быть изготовлен из инструментальной стали благодаря оптимальному соотношению стоимости и эксплуатационных характеристик. Для длительных серийных производств возможно нанесение карбидного покрытия для обеспечения конструкционной поддержки формы и увеличения её срока службы. Благодаря высокой структурной устойчивости при высоких температурах и значительных механических нагрузках такие специальные никелевые сплавы, как Инвар, являются предпочтительным материалом для изготовления форм, применяемых при производстве аэрокосмических компонентов, поскольку обладают низким коэффициентом теплового расширения. Данная особенность сплавов Инвар минимизирует нежелательное тепловое расширение формы при заданных температурах, предотвращая, таким образом, деформацию формы, вызванную термическими и химическими реакциями смол с эпоксидом.
Отделка поверхности должна быть максимально зеркальной, желательно с параметром шероховатости ниже 0,4 мкм Ra. Это обеспечивает отсутствие зацепления волокон при обработке и лёгкое отделение деталей от формы без поверхностных дефектов или микроразрывов. Правильное и стратегически размещённое вентилирование по краям критически важно для предотвращения воздушных полостей, особенно при экзотермической полимеризации смолы. Это также необходимо для предотвращения образования волокнистых полостей, заполненных смолой, в углеродных валиках. Наконец, конструкция пресс-форм должна обеспечивать их размерную стабильность в диапазоне от −0,1 до +0,1 мм при температуре 180 °C. Такая точная инженерная проработка является обязательным требованием для всех серьёзных производителей композитных материалов.
Основы контроля процесса: контроль качества при производстве углеродных валиков
Методы вакуумной упаковки, применения давящей подушки и дегазации при изготовлении слоистых углеродных валиков без полостей
Первым шагом является создание вакуума. Каждый слой композита помещается под гибкую крышку в вакуумный мешок, после чего создаётся разрежение 25–29 дюймов ртутного столба для удаления воздуха из слоёв. Начало этапа подачи избыточного давления (14–100 psi — фунтов на квадратный дюйм) представляет собой скорее операцию уплотнения, изменяющую соотношение «волокно/смола» в композите за счёт уменьшения объёма смолы ( {m}_{resin} ). Устранение дефектов, в частности пор, обеспечивается совместным действием нескольких факторов. Во-первых, захват воздуха в пропитанных смолой слоях устраняется (нарушается / разрушается) при помощи ролика для удаления излишков. Во-вторых, специальные слои ткани, называемые «дыхательными слоями» (breathers), отводят нежелательную смолу (обычно эпоксидную) от основных слоёв к специально предназначенным вентиляционным отверстиям для сбора смолы. И, наконец, для минимизации количества смолы, способной загрязнить слои или образовать поры, система оснащается слоями-«фильтрами» (bleeder layers), которые поглощают избыток смолы до завершения стадии её распределения.
Критически важно поддерживать содержание пустот ниже 2 %. Более высокое содержание пустот снижает межслойную прочность на сдвиг более чем на 35 %. Использование систем контроля давления и автоматического обнаружения утечек повышает надёжность и однородность уплотнения ламината из рулонов углеродного волокна, особенно важно в толстых или неправильных по форме участках.
Раздел часто задаваемых вопросов
Каковы преимущества использования рулонов углеродного волокна?
Благодаря исключительной прочности и стабильности изготовление методом намотки позволяет получать сложные формы и обеспечивает точное позиционирование.
В чём преимущество ручной пропитки (wet lay-up)?
Ручная пропитка предпочтительна для прототипов и сложных по форме изделий, однако она менее пригодна для массового производства по сравнению с процессами RTM и использованием препрегов.
Почему в композитах применяется эпоксидная смола?
Эпоксидная смола является оптимальным выбором благодаря своей адгезии, стабильности и межслойной прочности на сдвиг относительно массы конструкции, а потому она необходима при работе с углеродным волокном.
Какова функция вакуумной упаковки (vacuum bagging) при изготовлении ламинатов из углеродного волокна?
Вакуумное формование обеспечивает герметизацию и создает отрицательное давление для удаления воздушных карманов, позволяя формировать слоистые материалы равномерно и без пустот.