| Схема укладки | Обозначение | Характеристики | Области применения |
|---|---|---|---|
| Однонаправленная | [0]n | Максимальная прочность вдоль оси укладки, низкая поперечная прочность | Балки, стержни, элементы, работающие на растяжение/сжатие |
| Перекрестная | [0/90]n | Равная прочность в двух ортогональных направлениях | Панели, пластины с двухосными нагрузками |
| Угловая симметричная | [±45]n | Высокая устойчивость к сдвигу и кручению | Трубы, валы, элементы с крутящими нагрузками |
| Квазиизотропная | [0/90/±45]s | Приближенно одинаковые свойства во всех направлениях в плоскости | Обшивки, корпуса, универсальные конструкции |
| Симметричная сбалансированная | [0/45/-45/90]s | Отсутствие коробления при температурных изменениях, равномерное распределение напряжений | Аэрокосмические конструкции, высоконагруженные детали |
| Категория | Наименование | Назначение | Технические требования |
|---|---|---|---|
| Инструмент для нанесения смолы | Кисти | Нанесение смолы на армирующий материал | Натуральная или синтетическая щетина, устойчивая к растворителям, ширина 25-100 мм |
| Валики малярные | Равномерное распределение смолы на больших поверхностях | Диаметр 50-100 мм, длина 150-300 мм, для крупногабаритных деталей | |
| Шпатели | Распределение смолы и гелькоута | Пластиковые или металлические, ширина 50-200 мм | |
| Инструмент для уплотнения | Прикаточные ролики (рифленые) | Удаление воздуха, уплотнение слоев | Диаметр 25-35 мм, ширина 50-100 мм, материал — полипропилен, алюминий |
| Ребристые ролики | Прокатка углов и сложных поверхностей | Диаметр 20-30 мм, ребра для проникновения в сложные зоны | |
| Режущий инструмент | Ножницы для ткани | Раскрой армирующих материалов | Длина лезвия 200-300 мм, из нержавеющей стали |
| Ножи роликовые | Точный раскрой препрегов | Диаметр лезвия 28-45 мм, сменные лезвия | |
| Вспомогательные материалы | Разделительные агенты | Предотвращение прилипания к матрице | Восковые, силиконовые или PVA-составы |
| Вакуумные мешки | Создание вакуума для уплотнения | Нейлоновые или полиамидные пленки толщиной 50-100 мкм | |
| Средства защиты | Перчатки нитриловые | Защита рук от смол | Толщина 0,15-0,20 мм, устойчивые к эпоксидным и полиэфирным смолам |
| Респираторы | Защита органов дыхания от паров растворителей | Класс защиты FFP2 или FFP3 с фильтрами для органических паров |
| Параметр | Метод контроля | Стандарт | Типовые значения |
|---|---|---|---|
| Толщина ламината | Микрометр механический | ГОСТ 6507-90 | Точность ±0,01 мм |
| Толщиномер ультразвуковой | ГОСТ Р 56542-2019 | Диапазон 1-300 мм, точность ±0,1 мм | |
| Объемное содержание волокон (Vf) | Метод выжигания (для стекловолокна) | ASTM D2584, ISO 1172 | Vf = 40-65% (типично 50-60%) |
| Метод кислотного растворения (для углеволокна) | ASTM D3171 | Точность определения ±2% | |
| Оптическая микроскопия | ASTM D3171 (Method II) | Анализ шлифов при увеличении 100-500x | |
| Пористость | Ультразвуковой контроль (УЗК) | ГОСТ Р ИСО 16810-2015 | Допустимая пористость <1% (аэрокосмос), <3-5% (общепром.) |
| Анализ плотности методом Архимеда | ASTM D792 | Расчет пористости по отклонению от теоретической плотности | |
| Качество пропитки | Визуальный контроль + трансиллюминация | — | Отсутствие сухих участков, равномерный цвет |
Содержание статьи
- Технология ручного формования композитов
- Подготовка матрицы и нанесение гелькоута
- Раскрой и ориентация армирующих материалов
- Процесс выкладки слоев
- Пропитка связующим и удаление воздуха
- Контроль объемного содержания волокон
- Типичные дефекты и методы их предотвращения
- Отверждение и извлечение изделия
Технология ручного формования композитов
Ручное формование представляет собой базовый метод изготовления полимерных композитных материалов, основанный на последовательной укладке армирующих слоев в открытую матрицу с пропиткой термореактивным связующим. Технология относится к низкотемпературным процессам формования и характеризуется минимальными требованиями к оборудованию при высоких требованиях к квалификации оператора-ламинировщика.
Метод контактной выкладки получил широкое распространение в производстве малых серий крупногабаритных изделий благодаря отсутствию ограничений по габаритам матрицы и возможности оперативной корректировки параметров процесса. Типичная область применения включает корпуса судов, лопасти ветрогенераторов, элементы кузовов автомобилей, строительные панели и прототипы изделий для авиакосмической отрасли.
Технологические преимущества метода
Контактное формование обеспечивает гибкость в управлении локальными механическими свойствами композита путем направленного размещения армирующих слоев в зонах концентрации напряжений. Возможность использования односторонней матрицы снижает капитальные затраты на оснастку, а атмосферное отверждение исключает необходимость в автоклавном оборудовании.
Объемное содержание волокон при ручной выкладке обычно находится в диапазоне 50-60 процентов для стекловолоконных композитов и 55-65 процентов для углепластиков. Достижение более высоких значений затруднено из-за ручного характера пропитки и ограниченного давления уплотнения. Технологический цикл включает подготовку матрицы, последовательную выкладку слоев с пропиткой, уплотнение и отверждение при температуре 20-80 градусов Цельсия в течение 12-48 часов в зависимости от системы связующего.
↑ Вернуться к оглавлениюПодготовка матрицы и нанесение гелькоута
Подготовка формообразующей матрицы начинается с тщательной очистки рабочей поверхности от загрязнений, пыли и остатков предыдущих формовок. Для обезжиривания применяются растворители на основе изопропилового спирта или специализированные составы, не оставляющие пленки на поверхности. После высыхания осуществляется визуальный контроль на отсутствие дефектов, царапин и неровностей, которые могут отразиться на качестве формуемого изделия.
Нанесение разделительного агента представляет критически важный этап технологического процесса. Восковые разделители наносятся в 3-5 слоев с промежуточной полировкой каждого слоя после высыхания в течение 15-20 минут. Силиконовые составы требуют меньшего количества слоев, однако могут мигрировать в поверхностные слои композита и снижать адгезию при последующей окраске. Поливиниловый спирт обеспечивает надежное разделение, но требует водной смывки после извлечения детали.
Технология нанесения гелькоута
Гелькоут представляет собой пигментированную полимерную композицию, формирующую декоративно-защитный слой на лицевой поверхности изделия. Материал наносится распылением или кистью на подготовленную матрицу толщиной 0,3-0,8 миллиметра. Равномерность нанесения контролируется визуально по отсутствию просветов и наплывов. Время выдержки до начала выкладки армирующих слоев составляет 30-90 минут при температуре 20-25 градусов Цельсия, что соответствует достижению стадии желатинизации без полной полимеризации.
Избыточная толщина гелькоута приводит к образованию трещин при эксплуатации из-за различия коэффициентов термического расширения с основным ламинатом. Недостаточная толщина не обеспечивает требуемых защитных свойств и приводит к проступанию текстуры армирующего материала на поверхность. Контроль толщины осуществляется методом мокрой пленки с использованием гребенчатых толщиномеров.
↑ Вернуться к оглавлениюРаскрой и ориентация армирующих материалов
Раскрой армирующих материалов производится по заранее подготовленным лекалам с учетом направления основы ткани или ориентации ровингов. При работе с однонаправленными материалами критически важно обеспечить точное соблюдение углов ориентации относительно системы координат детали, поскольку отклонения более двух градусов могут существенно снизить расчетные механические характеристики композита.
Технология раскроя тканых материалов учитывает направление нитей основы и утка. Для квазиизотропных схем укладки используются сочетания слоев с ориентацией 0, 90 и плюс-минус 45 градусов, обеспечивающие приближенно равные свойства во всех направлениях плоскости ламината. Симметричная укладка относительно средней плоскости предотвращает коробление детали при температурных воздействиях и неравномерной усадке связующего.
Оптимизация схем армирования
Выбор схемы укладки определяется характером нагружения изделия. Для элементов, работающих преимущественно на растяжение или сжатие вдоль одной оси, применяются однонаправленные схемы с ориентацией волокон вдоль направления действия нагрузки. Двухосное нагружение требует перекрестной укладки с чередованием слоев ноль и 90 градусов. Конструкции, подверженные кручению, армируются преимущественно слоями плюс-минус 45 градусов, обеспечивающими максимальное сопротивление сдвиговым деформациям.
При проектировании ламината соблюдается правило, согласно которому доля слоев каждой из основных ориентаций не должна превышать 37,5 процента и быть менее 12,5 процента от общего количества слоев. Это обеспечивает сбалансированность механических свойств и предотвращает преждевременное разрушение по наиболее слабому направлению. Последовательность укладки слоев записывается в стандартной нотации в квадратных скобках с указанием углов и количества повторений.
Важные ограничения при раскрое
Резка углеродных тканей и лент должна производиться специализированным инструментом во избежание истирания режущих кромок абразивным волокном. Необходимо обеспечить защиту органов дыхания при работе с углеволокном, поскольку углеродная пыль может вызывать раздражение слизистых оболочек и представляет опасность при попадании в электронное оборудование из-за электропроводности.
Процесс выкладки слоев
Технологический процесс выкладки начинается с позиционирования первого слоя армирующего материала на поверхность матрицы с предварительно отвержденным гелькоутом. Материал укладывается вручную с тщательным разглаживанием от центра к краям для предотвращения образования складок и воздушных пузырей. При формовании деталей со сложной геометрией применяются методы драпировки с постепенным приформовыванием материала к контурам матрицы путем натяжения и сдвига отдельных нитей ткани.
Каждый последующий слой укладывается согласно проектной схеме армирования с контролем ориентации волокон по реперным меткам на матрице. Критически важным аспектом является обеспечение перекрытия стыков соседних слоев на расстояние не менее 25 миллиметров для исключения формирования зон концентрации напряжений. В углах и радиусных переходах допускается подрезка материала и формирование вытачек для устранения избыточной толщины, возникающей при драпировке плоского материала на криволинейную поверхность.
Техника приформовывания к сложным поверхностям
При работе с внутренними углами и малыми радиусами закругления ткань приформовывается постепенным вдавливанием с использованием специализированных инструментов типа дибберов. Избыточное усилие при приформовывании может привести к смещению волокон и локальному изменению объемного содержания армирующего материала. Для контроля положения слоя одна рука оператора фиксирует материал на матрице, в то время как вторая осуществляет позиционирование и разглаживание.
В зонах повышенных напряжений допускается введение дополнительных локальных слоев усиления, ориентированных в направлении действия нагрузки. Такие усиления должны иметь плавные переходы по толщине с основным ламинатом во избежание создания концентраторов напряжений. Переходная зона формируется ступенчатой укладкой с шагом не менее 30 миллиметров между краями последовательных слоев.
↑ Вернуться к оглавлениюПропитка связующим и удаление воздуха
Пропитка армирующих слоев осуществляется нанесением предварительно подготовленной композиции связующего на поверхность уложенного материала. Для ручного формования применяются связующие с вязкостью в диапазоне 400-1500 миллипаскаль-секунд при температуре применения, что обеспечивает эффективное смачивание волокон без применения избыточного давления. Полиэфирные и эпоксидные системы представляют наиболее распространенные типы связующих для контактного формования.
Нанесение связующего производится кистями или валиками равномерным слоем с последующей обработкой прикаточными роликами для вдавливания смолы в структуру армирующего материала и удаления захваченного воздуха. Рифленая поверхность роликов обеспечивает эффективное разрушение воздушных пузырей и перемещение смолы в межволоконное пространство. Направление прокатки должно совпадать с преобладающей ориентацией волокон для предотвращения их смещения.
Контроль качества пропитки
Визуальный контроль качества пропитки осуществляется по изменению оптических свойств армирующего материала. Полностью пропитанные участки приобретают прозрачность и однородный цвет связующего, в то время как непропитанные зоны характеризуются белесым оттенком и матовой поверхностью. Наличие сухих участков недопустимо, поскольку они представляют собой концентраторы напряжений и инициируют преждевременное разрушение композита.
Избыточное содержание связующего проявляется в виде поверхностных наплывов и увеличенной толщины ламината относительно расчетных значений. Излишки смолы удаляются повторной прокаткой роликами или отсасываются абсорбирующими материалами. Оптимальное массовое соотношение смолы к волокну составляет 40-50 процентов для тканых стекловолоконных материалов и 35-45 процентов для углеродных тканей, что соответствует объемному содержанию волокон 50-60 процентов.
Методика удаления воздуха
Эффективное удаление захваченного воздуха достигается последовательной прокаткой от центра к периферии детали с усилием 20-40 ньютонов. При формовании толстых ламинатов рекомендуется промежуточная дебалкировка под вакуумом после укладки каждых 3-5 слоев для удаления воздуха из внутренних слоев до начала желатинизации связующего.
Контроль объемного содержания волокон
Объемное содержание волокон представляет ключевой параметр качества композитного материала, определяющий его механические характеристики. Контроль данного параметра осуществляется разрушающими и неразрушающими методами согласно международным стандартам ASTM D2584, ASTM D3171 и ISO 1172. Для стекловолоконных композитов применяется метод выжигания связующего при температуре 565 градусов Цельсия с допуском плюс-минус 28 градусов с последующим взвешиванием остатка волокна.
Расчет объемного содержания волокон производится по формуле с использованием известных значений плотностей компонентов и измеренных весовых долей. Плотность стекловолокна типа Е составляет 2,54-2,57 грамма на кубический сантиметр, углеродного волокна 1,75-1,85 грамма на кубический сантиметр, эпоксидного связующего 1,15-1,30 грамма на кубический сантиметр. Типовые значения объемного содержания волокон для качественных ламинатов ручного формования находятся в диапазоне 50-60 процентов.
Методы измерения толщины ламината
Контроль толщины отформованного ламината осуществляется механическими микрометрами с точностью 0,01 миллиметра или ультразвуковыми толщиномерами для крупногабаритных деталей. Измерения производятся в нескольких точках по площади детали для выявления неравномерности толщины, свидетельствующей о нарушениях технологии выкладки или неравномерной пропитке. Допустимые отклонения толщины от номинальных значений составляют плюс-минус 10 процентов для общепромышленных изделий и плюс-минус 5 процентов для авиакосмических конструкций.
Неразрушающий контроль внутренней структуры композита выполняется ультразвуковыми методами с регистрацией амплитуды отраженного сигнала. Снижение амплитуды указывает на наличие дефектов в виде расслоений, пористости или зон непропитки. Допустимый уровень пористости для аэрокосмических применений не превышает одного процента, для общепромышленных изделий допускается до трех-пяти процентов.
↑ Вернуться к оглавлениюТипичные дефекты и методы их предотвращения
Пористость представляет наиболее распространенный дефект ламинатов ручного формования, возникающий вследствие захвата воздуха при укладке слоев, неполного удаления летучих компонентов связующего или недостаточного уплотнения. Воздушные включения диаметром от десятков микрометров до нескольких миллиметров локализуются преимущественно на границах слоев и в зонах сложной геометрии. Критическое влияние пористости проявляется в снижении межслойной прочности на сдвиг и прочности при сжатии вдоль волокон.
Предотвращение пористости достигается тщательной дебалкировкой под вакуумом после укладки каждой группы слоев, применением медленноотверждаемых связующих с низкой вязкостью и обеспечением достаточного времени выдержки для естественного удаления воздуха перед желатинизацией. Вакуумное мешкование с давлением 0,8-0,9 бар эффективно снижает конечную пористость до уровня менее двух процентов при правильном выполнении технологического процесса.
Дефекты смещения и разориентации волокон
Смещение волокон относительно проектных направлений возникает при чрезмерном усилии прокатки, недостаточной фиксации материала на матрице или неправильной технике драпировки. Отклонения угла ориентации более трех-пяти градусов приводят к существенному снижению расчетных характеристик прочности и жесткости. Контроль ориентации осуществляется визуально по реперным меткам на матрице и инструментальными методами после отверждения путем рентгеновской томографии или ультразвукового сканирования.
Непропитанные участки формируются при использовании связующих с избыточной вязкостью, недостаточном времени пропитки до начала желатинизации или в зонах плотной упаковки волокон. Сухие зоны белого цвета визуально отличаются от полностью пропитанных участков и подлежат обязательному устранению дополнительным нанесением связующего с прокаткой. Наличие непропитанных участков недопустимо в готовом изделии.
Критические дефекты формования
Расслоения между слоями образуются при загрязнении поверхности предыдущего слоя, превышении времени между укладкой последовательных слоев сверх периода желатинизации связующего или недостаточном уплотнении. Такие дефекты критически снижают несущую способность конструкции и подлежат обязательному выявлению методами ультразвукового контроля перед вводом изделия в эксплуатацию.
Отверждение и извлечение изделия
Процесс отверждения композита при ручном формовании осуществляется при атмосферном давлении и температуре окружающей среды для холодноотверждаемых систем связующего либо с применением термостатирования при температуре 60-80 градусов Цельсия для систем горячего отверждения. Продолжительность выдержки определяется типом связующего и составляет от 12 до 48 часов для достижения степени отверждения 85-95 процентов, достаточной для безопасного извлечения из матрицы.
Контроль степени отверждения производится методом твердости по Барколу с использованием портативных твердомеров или лабораторными методами дифференциальной сканирующей калориметрии для точного определения температуры стеклования и остаточной теплоты реакции. Недостаточное отверждение приводит к деформациям при извлечении из матрицы и низким эксплуатационным характеристикам. Извлечение производится осторожным отделением детали от матрицы с использованием пластиковых клиньев во избежание повреждения поверхности.
Постформовочная обработка
После извлечения изделие подвергается механической обработке для удаления облоя, обрезки кромок и сверления монтажных отверстий. Обработка композитных материалов требует применения специализированного инструмента с алмазным или твердосплавным покрытием вследствие высокой абразивности армирующих волокон. Скорость резания должна быть оптимизирована для предотвращения перегрева и расслоения материала в зоне обработки. Охлаждение водовоздушной смесью или сжатым воздухом обязательно при сверлении отверстий диаметром более пяти миллиметров.
Финишная обработка поверхности включает шлифование, полирование и нанесение защитных покрытий при необходимости. Изделия, подлежащие окраске, проходят предварительное абразивное шлифование для создания развитой поверхности с последующим обезжириванием. Качество готовой детали контролируется визуально и инструментальными методами неразрушающего контроля согласно техническим условиям на продукцию.
↑ Вернуться к оглавлению