Dostępny jest szeroki wybór surowców do produkcji kompozytów, w tym żywic, włókien i materiałów rdzeniowych, a każdy materiał charakteryzuje się unikalnymi właściwościami wytrzymałościowymi, sztywnością, udarnością i stabilnością termiczną, a także zróżnicowanymi kosztami i wydajnością. Jednak ostateczna wydajność całego materiału kompozytowego zależy nie tylko od matrycy żywicowej i włókien (a także materiału rdzenia w strukturze warstwowej), ale również od metody projektowania i procesu wytwarzania materiałów w strukturze. W niniejszym artykule przedstawimy powszechnie stosowane metody produkcji kompozytów, główne czynniki wpływające na każdą z metod oraz sposób doboru surowców do różnych procesów.
Formowanie natryskowe
1. Opis metody: skrócony materiał wzmacniający z włókien i układ żywicy są jednocześnie natryskiwane do formy, a następnie utwardzane pod ciśnieniem atmosferycznym w celu uzyskania kompozytowych produktów termoutwardzalnych w procesie formowania.
2. Wybór materiałów:
Żywica: głównie poliester
Włókno: gruba przędza z włókna szklanego
Materiał rdzenia: brak, należy łączyć wyłącznie ze sklejką
3. Główne zalety:
1) Długa historia rzemiosła
2) Niskie koszty i szybkie układanie włókien i żywicy
3) Niski koszt formy
4. Główne wady:
1) Sklejka jest łatwa do formowania, bogata w żywicę, o dużej wadze
2) Można stosować wyłącznie włókna krótko cięte, co poważnie ogranicza właściwości mechaniczne sklejki.
3) Aby ułatwić natryskiwanie, lepkość żywicy musi być odpowiednio niska, co powoduje utratę właściwości mechanicznych i termicznych materiału kompozytowego.
4) Wysoka zawartość styrenu w żywicy natryskowej oznacza, że istnieje duże potencjalne zagrożenie dla operatora, a niska lepkość sprawia, że żywica może łatwo wnikać w odzież roboczą pracownika i mieć bezpośredni kontakt ze skórą.
5) Stężenie lotnego styrenu w powietrzu jest trudne do spełnienia zgodnie z wymogami prawnymi.
5. Typowe zastosowania:
Proste ogrodzenia, panele konstrukcyjne o niskim obciążeniu, takie jak nadwozia samochodów kabrioletów, owiewki ciężarówek, wanny i małe łodzie.
Formowanie ręczne
1. Opis metody: ręczne wnikanie żywicy we włókna. Włókna mogą być tkane, splatane, zszywane lub łączone, a także wzmacniane innymi metodami. Formowanie ręczne odbywa się zazwyczaj za pomocą wałków lub szczotek, a następnie żywica jest wyciskana wałkiem klejowym, aby wniknęła we włókna. Sklejkę poddaje się działaniu ciśnienia normalnego w celu utwardzenia.
2. Wybór materiałów:
Żywica: nie jest wymagana, dostępne są żywice epoksydowe, poliestrowe, estrowe na bazie polietylenu i fenolowe
Włókno: brak wymagań, ale masa podstawowa większego włókna aramidowego utrudnia przenikanie do układanego ręcznie
Materiał rdzenia: brak wymagań
3. Główne zalety:
1) Długa historia technologii
2) Łatwy do nauczenia
3) Niski koszt formy w przypadku stosowania żywicy utwardzanej w temperaturze pokojowej
4) Szeroki wybór materiałów i dostawców
5) Wysoka zawartość włókien, dłuższe włókna stosowane w procesie natryskowym
4. Główne wady:
1) Mieszanie żywicy, zawartość żywicy w laminacie i jej jakość są ściśle powiązane z umiejętnościami operatora, trudno jest uzyskać niską zawartość żywicy i niską porowatość laminatu
2) Zagrożenia dla zdrowia i bezpieczeństwa związane z żywicą – im niższa masa cząsteczkowa żywicy do nakładania ręcznego, tym większe potencjalne zagrożenie dla zdrowia, a im niższa lepkość, tym większe prawdopodobieństwo, że żywica przeniknie przez odzież roboczą pracowników i wejdzie w bezpośredni kontakt ze skórą.
3) W przypadku braku dobrej wentylacji stężenie styrenu odparowującego z poliestru i estrów na bazie polietylenu w powietrzu będzie trudne do spełnienia wymogów prawnych
4) Lepkość żywicy do nakładania ręcznego musi być bardzo niska, dlatego zawartość styrenu i innych rozpuszczalników musi być wysoka, co powoduje utratę właściwości mechanicznych/termicznych materiału kompozytowego.
5) Typowe zastosowania: standardowe łopaty turbin wiatrowych, łodzie produkowane masowo, modele architektoniczne.
Proces pakowania próżniowego
1. Opis metody: Proces pakowania próżniowego stanowi rozwinięcie opisanego powyżej procesu układania ręcznego, tzn. uszczelnianie warstwy folii plastikowej na formie będzie procesem układania ręcznego sklejki próżniowo, polegającym na przyłożeniu ciśnienia atmosferycznego do sklejki w celu uzyskania efektu wyczerpania i naprężenia, a tym samym poprawy jakości materiału kompozytowego.
2. Dobór materiałów:
Żywica: głównie żywice epoksydowe i fenolowe, poliestry i estry na bazie polietylenu nie nadają się do stosowania, ponieważ zawierają styren, ulatniają się do pompy próżniowej
Włókno: brak wymagań, nawet jeśli masa podstawowa większych włókien może zostać przeniknięta pod ciśnieniem
Materiał rdzenia: brak wymagań
3. Główne zalety:
1) Można osiągnąć wyższą zawartość włókien niż w przypadku standardowego procesu laminowania ręcznego
2) Współczynnik porowatości jest niższy niż w standardowym procesie laminowania ręcznego.
3) Pod wpływem podciśnienia żywica płynie w stopniu wystarczającym do poprawy stopnia infiltracji włókien, oczywiście część żywicy zostanie wchłonięta przez materiały eksploatacyjne próżniowe
4) Zdrowie i bezpieczeństwo: proces pakowania próżniowego może ograniczyć uwalnianie substancji lotnych podczas procesu utwardzania
4. Główne wady:
1) Dodatkowy proces zwiększa koszty pracy i jednorazowego materiału worka próżniowego
2) Wyższe wymagania dotyczące umiejętności operatorów
3) Mieszanie żywicy i kontrola jej zawartości w dużej mierze zależą od umiejętności operatora
4) Mimo że worki próżniowe zmniejszają uwalnianie substancji lotnych, ryzyko dla zdrowia operatora jest nadal wyższe niż w przypadku procesu infuzji lub prepregu
5. Typowe zastosowania: jachty dużych rozmiarów, pojedyncze limitowane edycje, części samochodów wyścigowych, proces budowy statków w celu łączenia materiałów rdzeniowych.
Formowanie nawijania
1. Opis metody: Proces nawijania jest zasadniczo stosowany do produkcji pustych, okrągłych lub owalnych elementów konstrukcyjnych, takich jak rury i koryta. Wiązki włókien są impregnowane żywicą, a następnie nawijane na trzpień w różnych kierunkach. Proces jest kontrolowany przez maszynę nawijającą i prędkość trzpienia.
2. Wybór materiałów:
Żywica: brak wymagań, np. żywica epoksydowa, poliestrowa, ester na bazie polietylenu i żywica fenolowa itp.
Włókno: brak wymagań, bezpośrednie wykorzystanie wiązek włókien ramy szpuli, nie ma potrzeby wplatania lub szycia w tkaninę włóknistą
Materiał rdzenia: brak wymagań, ale powłoka jest zazwyczaj jednowarstwowym materiałem kompozytowym
3. Główne zalety:
(1) duża prędkość produkcji jest ekonomicznym i rozsądnym sposobem laminowania
(2) Zawartość żywicy można kontrolować, mierząc ilość żywicy przenoszonej przez wiązki włókien przechodzące przez rowek żywiczny.
(3) Zminimalizowany koszt włókna, brak pośredniego procesu tkania
(4) doskonała wydajność konstrukcyjna, ponieważ wiązki włókien liniowych można układać wzdłuż różnych kierunków nośnych
4. Główne wady:
(1) Proces ten jest ograniczony do okrągłych, pustych struktur.
(2) Włókna nie układają się łatwo i dokładnie wzdłuż kierunku osiowego elementu
(3) Wyższy koszt formowania pozytywowego trzpienia w przypadku dużych części konstrukcyjnych
(4) Zewnętrzna powierzchnia konstrukcji nie jest powierzchnią formy, więc estetyka jest gorsza
(5) Przy stosowaniu żywic o niskiej lepkości należy zwrócić uwagę na właściwości mechaniczne oraz parametry bezpieczeństwa i higieny pracy.
Typowe zastosowania: zbiorniki i rury do przechowywania chemikaliów, butle, zbiorniki oddechowe strażaków.
Formowanie pultruzyjne
1. Opis metody: z uchwytu szpulki, wiązka włókien nasączona klejem przechodzi przez płytę grzewczą, w której następuje infiltracja żywicy na włókno, kontrola zawartości żywicy, a ostatecznie materiał zostaje utwardzony do wymaganego kształtu; ten kształt utrwalonego utwardzonego produktu jest mechanicznie cięty na różne długości. Włókna mogą również wchodzić na płytę grzewczą w kierunkach innych niż 0 stopni. Wytłaczanie i formowanie z rozciąganiem to ciągły proces produkcyjny, a przekrój poprzeczny produktu ma zazwyczaj ustalony kształt, dopuszczając niewielkie odchylenia. Wstępnie zwilżony materiał przechodzi przez płytę grzewczą, jest utrwalany i rozprowadzany w formie, gdzie natychmiast się utwardza. Chociaż taki proces jest mniej ciągły, to jednak pozwala na zmianę kształtu przekroju poprzecznego.
2. Wybór materiałów:
Żywica: zwykle epoksydowa, poliestrowa, ester na bazie polietylenu i żywica fenolowa itp.
Włókno: brak wymagań
Materiał rdzenia: nie jest powszechnie stosowany
3. Główne zalety:
(1) szybka prędkość produkcji, jest ekonomicznym i rozsądnym sposobem wstępnego zwilżania i utwardzania materiałów
(2) precyzyjna kontrola zawartości żywicy
(3) minimalizacja kosztów włókien, brak pośredniego procesu tkania
(4) doskonałe właściwości strukturalne, ponieważ wiązki włókien są ułożone w liniach prostych, a udział objętościowy włókien jest wysoki
(5) obszar infiltracji włókien można całkowicie uszczelnić, aby ograniczyć uwalnianie substancji lotnych
4. Główne wady:
(1) proces ogranicza kształt przekroju poprzecznego
(2) Wyższy koszt płyty grzewczej
5. Typowe zastosowania: belki i kratownice konstrukcji mieszkaniowych, mosty, drabiny i ogrodzenia.
Proces formowania z transferem żywicy (RTM)
1. Opis metody: Suche włókna są umieszczane w dolnej formie, która może być wstępnie sprężona, aby jak najlepiej dopasować włókna do kształtu formy i zapewnić ich adhezyjne połączenie; następnie górna forma jest mocowana do dolnej formy, tworząc wnękę, do której wtryskiwana jest żywica. Powszechnie stosuje się wtrysk żywicy wspomagany próżnią i infiltrację włókien, znaną jako wtrysk żywicy wspomaganej próżnią (VARI). Po zakończeniu infiltracji włókien zawór wlotowy żywicy jest zamykany, a kompozyt utwardzany. Wtrysk żywicy i utwardzanie mogą odbywać się w temperaturze pokojowej lub w warunkach podwyższonej temperatury.
2. Wybór materiałów:
Żywica: zwykle epoksydowa, poliestrowa, poliwinyloestrowa i fenolowa, żywica bismaleimidowa może być stosowana w wysokiej temperaturze
Włókno: brak wymagań. Włókno szyte jest bardziej odpowiednie do tego procesu, ponieważ szczelina między wiązkami włókien sprzyja przenoszeniu żywicy; istnieją specjalnie opracowane włókna, które wspomagają przepływ żywicy.
Materiał rdzenia: pianka komórkowa nie jest odpowiednia, ponieważ komórki plastra miodu zostaną wypełnione żywicą, a ciśnienie spowoduje również zapadnięcie się pianki.
3. Główne zalety:
(1) Większa objętość frakcji włókien, niska porowatość
(2) Bezpieczeństwo i higiena pracy, czyste i uporządkowane środowisko pracy, ponieważ żywica jest całkowicie uszczelniona.
(3) Zmniejszenie wykorzystania siły roboczej
(4) Górna i dolna strona elementów konstrukcyjnych są powierzchniami formowanymi, co ułatwia późniejszą obróbkę powierzchni.
4. Główne wady:
(1) Formy stosowane razem są drogie, ciężkie i stosunkowo nieporęczne, aby wytrzymać większe ciśnienie.
(2) ograniczone do produkcji małych części
(3) Łatwo mogą powstać obszary nienawilżone, co skutkuje dużą ilością odpadów
5. Typowe zastosowania: małe i skomplikowane części wahadłowców kosmicznych i samochodów, siedzenia w pociągach.
Czas publikacji: 08-08-2024
