Обзор Технологии: Изготовление И Обслуживание Технологической Оснастки

Материалы технологической оснастки для композитов

Технологическая оснастка представляет собой формы, мандрели и приспособления, необходимые для формования композитных изделий. Выбор материала оснастки напрямую влияет на качество готовых деталей, производительность процесса и экономическую эффективность производства. Основным критерием при выборе материала служит согласование коэффициента теплового расширения оснастки с КТР изготавливаемой композитной детали, что обеспечивает размерную стабильность при температурном отверждении.

Металлические материалы оснастки

Инвар 36, железоникелевый сплав с содержанием тридцати шести процентов никеля, демонстрирует КТР около 0,6–1,3×10⁻⁶/°C в диапазоне температур от минус ста до двухсот градусов Цельсия, что близко соответствует КТР квазиизотропных углепластиковых ламинатов. Сверхчистые сорта инвара с содержанием кобальта менее десятой доли процента обеспечивают значения КТР до 0,62–0,65×10⁻⁶/°C. Данный материал выдерживает более десяти тысяч автоклавных циклов при плотности 8,05 г/см³, что создает значительную массу крупногабаритной оснастки.

Конструкционная сталь применяется для оснастки среднего ценового диапазона, обеспечивая ресурс более пяти тысяч циклов. КТР стали составляет 11–13×10⁻⁶/°C, что создает несоответствие с углепластиками и может вызывать внутренние напряжения в деталях при температурном отверждении. Алюминиевые формы характеризуются КТР 23–24×10⁻⁶/°C и применяются преимущественно для сборочных приспособлений или производства деталей из стеклопластика при низкотемпературном отверждении.

Композитные материалы оснастки

Углепластиковая оснастка на основе эпоксидных связующих обеспечивает КТР 1,0–2,5×10⁻⁶/°C для квазиизотропных ламинатов, идентичный изготавливаемым деталям. Ресурс таких форм составляет 200–800 циклов при температуре отверждения до 150°C. Применение бисмалеимидных связующих увеличивает температурную стойкость до 180°C и ресурс до пятисот циклов. Композитные формы изготавливают методом вакуумной инфузии с получением трехсотслойных ламинатов практически без пористости, которые затем подвергают механической обработке на станках с ЧПУ.

Углеродная пена представляет материал с плотностью 0,32–0,48 г/см³ в стандартных сортах, что обеспечивает массу в десять раз меньше инварной оснастки эквивалентных размеров. Материал характеризуется легкой обрабатываемостью и температурной стойкостью до 370°C при отсутствии кислорода. КТР углеродной пены составляет 2,5–5,0×10⁻⁶/°C, что сопоставимо с углепластиковыми композитами. Пористая структура обеспечивает равномерное температурное поле по всей поверхности формы, что критично для качественного отверждения композитов.

Жертвенные и смываемые мандрели

Современная технология аддитивного производства позволяет изготавливать водорастворимые мандрели для формования полых композитных деталей сложной геометрии. Материалы на основе керамических композиций с содержанием керамики восемьдесят–девяносто процентов с водорастворимыми связующими удаляются из готовой детали путем промывки водой при комнатной температуре в течение суток. Технология исключает необходимость механического извлечения мандреля, что особенно важно для деталей с внутренними полостями и поднутрениями. Материалы выдерживают температуры автоклавного отверждения до 180°C.

Мандрели из полимеров с памятью формы становятся жесткими при комнатной температуре для выкладки композита, сохраняют геометрию при отверждении до 121°C, а затем размягчаются при постотверждении выше 149°C, что позволяет извлекать их из детали без разрушения. Такие мандрели применяют многократно с ресурсом двадцать–сто циклов, обеспечивая экономическую эффективность при серийном производстве.

Технологии изготовления форм и оправок

Процесс изготовления технологической оснастки начинается с создания мастер-модели, представляющей точную геометрию будущей детали. Мастер-модель изготавливают методами механической обработки из алюминия, обрабатываемых эпоксидных плит или аддитивными технологиями. Геометрическая точность мастер-модели определяет качество всей последующей оснастки, поэтому применяют координатно-измерительные машины для контроля размеров с точностью до сотых долей миллиметра.

Ручная выкладка и напыление

Технология ручной выкладки предполагает последовательное нанесение слоев армирующего материала и связующего на подготовленную мастер-модель. Оператор пропитывает сухие ткани эпоксидным или полиэфирным связующим с помощью кистей или валиков, уплотняя каждый слой для удаления воздушных включений. Процесс требует высокой квалификации персонала, поскольку качество оснастки зависит от тщательности пропитки и уплотнения материала. Отверждение проводят при комнатной температуре или с применением нагрева до 60–80°C в термошкафах.

Метод напыления применяет специализированное оборудование для одновременной подачи рубленого волокна и связующего на форму. Пистолет-распылитель измельчает ровинг на отрезки определенной длины и смешивает с катализированной смолой в факеле распыления. Технология обеспечивает высокую производительность при изготовлении крупногабаритной оснастки, но требует последующего уплотнения слоя прикаточными валиками для удаления пористости.

Вакуумная инфузия и препреги

Вакуумная инфузия обеспечивает высокое качество оснастки при минимальной пористости ламината. Армирующий материал укладывают на мастер-модель, герметизируют вакуумным мешком и создают разрежение около 0,5 атмосфер. Связующее под действием перепада давления пропитывает волокна, заполняя всю толщину пакета. Метод позволяет получать трехсотслойные конструкции с содержанием пор менее одного процента по объему.

Препреги представляют предварительно пропитанные связующим армирующие материалы с частичной степенью отверждения. Технология препрегов обеспечивает точный контроль содержания связующего и толщины слоев. Выкладку проводят с ориентацией слоев по схеме ноль-плюс сорок пять-минус сорок пять-девяносто градусов для получения квазиизотропных свойств. Отверждение выполняют в автоклаве при давлении 0,6 МПа и температуре согласно рекомендациям производителя связующего.

Аддитивное производство оснастки

Крупноформатная трехмерная печать сокращает сроки изготовления технологической оснастки с недель до часов. Системы со струйным нанесением связующего создают мандрели объемом до четырех кубических метров без необходимости постотверждения. Технология позволяет печатать водорастворимые керамические композиты с КТР, близким к металлам, что обеспечивает размерную стабильность при отверждении композитных деталей.

Технология послойного нанесения позволяет создавать мандрели для деталей с внутренними полостями и геометрией, недоступной традиционной механообработке. После формования композита на таком мандреле его полностью удаляют промывкой водой при комнатной температуре в течение суток, что исключает повреждение готовой детали при извлечении оснастки.

Срок службы технологической оснастки

Ресурс технологической оснастки определяется совокупностью факторов: материалом конструкции, температурным режимом эксплуатации, методом формования деталей и качеством обслуживания. Производственный цикл оснастки измеряется количеством изготовленных деталей до момента, когда геометрические отклонения или повреждения поверхности делают дальнейшее использование невозможным.

Факторы деградации оснастки

Циклическое термическое нагружение при автоклавном отверждении вызывает постепенную деградацию полимерных связующих композитной оснастки. Температура 180°C при повторении несколько раз в неделю на протяжении производственных серий длительностью годы приводит к микротрещинам в матрице и расслоениям. Эпоксидные связующие выдерживают до восьмисот циклов до критического накопления повреждений, в то время как бисмалеимиды обеспечивают пятьсот циклов при более высокой температуре.

Механическое воздействие при укладке препрегов, установке вакуумных мешков и извлечении готовых деталей вызывает абразивный износ рабочей поверхности форм. Стальная и инварная оснастка практически не подвержена такому износу благодаря высокой твердости поверхности. Композитные формы требуют периодической полировки для восстановления качества поверхности после нескольких десятков производственных циклов.

Ресурс различных типов оснастки

Инварная оснастка демонстрирует максимальный ресурс, превышающий десять тысяч автоклавных циклов при температуре до 200°C. Такая долговечность оправдывает высокие первоначальные затраты на изготовление при крупносерийном производстве аэрокосмических конструкций. Конструкционная сталь обеспечивает более пяти тысяч циклов, представляя компромисс между стоимостью и долговечностью для производства средних серий.

Алюминиевые формы выдерживают от одной до трех тысяч циклов в зависимости от температурного режима и типа формуемых деталей. Применение алюминия ограничено процессами с температурой отверждения не выше 150°C из-за значительного КТР материала. Композитная оснастка на основе эпоксидных связующих обеспечивает двести–восемьсот циклов, что достаточно для производства опытных партий и малых серий при существенно меньших затратах на изготовление по сравнению с металлической оснасткой.

Влияние условий эксплуатации

Скорость нагрева и охлаждения оснастки критически влияет на срок службы. Рекомендуемая скорость составляет 2–3 градуса в минуту для крупногабаритных форм во избежание термических напряжений. Равномерность температурного поля по поверхности оснастки обеспечивает качественное отверждение композита и предотвращает локальные перегревы, вызывающие преждевременную деградацию материала формы.

Качество разделительных агентов напрямую влияет на сохранность поверхности оснастки. Современные полупостоянные разделители на основе силиконов обеспечивают защиту на протяжении двадцати–тридцати циклов формования без необходимости повторного нанесения. Использование разделителей предотвращает адгезию связующего к форме и снижает абразивное воздействие при извлечении деталей.

Обслуживание и ремонт оснастки

Система планово-предупредительного обслуживания технологической оснастки обеспечивает стабильное качество производимых деталей и максимальный ресурс эксплуатации форм. Регулярное техническое обслуживание включает очистку рабочих поверхностей, контроль геометрии, проверку вакуумной плотности и нанесение защитно-разделительных покрытий согласно установленному графику.

Регламент технического обслуживания

Очистку оснастки проводят после каждого производственного цикла для удаления остатков разделительных агентов и возможных загрязнений. Для композитных форм применяют неабразивные моющие средства и мягкую ветошь, исключающую повреждение гелькоута. Металлическую оснастку очищают растворителями с последующей полировкой специализированными пастами для восстановления зеркального блеска поверхности.

Контроль геометрии оснастки выполняют координатно-измерительными машинами каждые сто циклов для инварных форм, каждые пятьдесят циклов для композитных. Измерения проводят при стабилизированной температуре оснастки двадцать градусов во избежание температурных погрешностей. Отклонения, превышающие десятые доли миллиметра для прецизионной оснастки, требуют корректирующих мероприятий.

Технологии ремонта и восстановления

Локальные повреждения композитной оснастки устраняют методом послойного ремонта. Поврежденную зону зачищают абразивом для удаления дефектного материала и создания ступенчатого профиля с углом наклона один к двадцати. Ремонтный ламинат выкладывают из препрега идентичного исходному материалу формы, обеспечивая перекрытие каждого слоя на тридцать миллиметров за границу повреждения. Отверждение проводят с локальным нагревом до температуры, соответствующей технологии изготовления оснастки.

Восстановление металлической оснастки включает заполнение царапин и выбоин сваркой с последующей механической обработкой и полировкой. Для инварных форм применяют присадочный материал аналогичного состава для исключения возникновения зон с отличающимся КТР. Глубокие повреждения требуют фрезерования зоны дефекта с последующей вваркой вставки и восстановления геометрии поверхности обработкой на станках с ЧПУ.

Хранение и консервация

Длительное хранение технологической оснастки требует специальных условий для предотвращения коррозии металлических элементов и деградации полимерных материалов. Формы размещают в горизонтальном положении на специализированных стеллажах, исключающих точечные нагрузки. Металлическую оснастку покрывают антикоррозионными составами, композитную защищают полиэтиленовой пленкой от ультрафиолетового излучения и механических повреждений.

Помещение для хранения оснастки поддерживают при температуре восемнадцать–двадцать пять градусов и относительной влажности не более шестидесяти процентов. Периодический осмотр консервированной оснастки каждые три месяца позволяет своевременно выявлять признаки коррозии или других повреждений. Перед возвращением в эксплуатацию оснастку тщательно очищают от консервационных покрытий и проводят контроль геометрии.