Формообразующая оснастка из композитных материалов

Развитие современной техники — это вклад не только в ее умную электронную начинку, но и внедрение новых материалов. Так, всё чаще научные исследования направлены на создание наиболее оптимальных материалов для конкретных условий эксплуатации. Как следствие металл постепенно заменяется композитными материалами, в том числе и карбоном.

И это вполне оправданно — ведь его уникальное сочетание малого веса и суровой прочности, как оказалось, оценили не только военные, которые первыми стали им пользоваться, но и вполне себе мирные обыватели. Тем более что некоторые недостатки таких материалов нынче успевают устранять еще до момента, когда их обнародуют в широкой прессе. Например, уже найдены технологические способы защиты углепластиковых деталей от экстремальной солнечной радиации и точечных ударов, о чем так много говорили и даже приводили в пример буквально лопнувшую несколько лет назад карбоновую яхту Hugo Boss. Тут нужно просто понимать, что без неудач не бывает и великих достижений.

Карбон и размеростабильные конструкции

Да, в это производство совсем недавно тоже проник углепластик.

Для справки: размеростабильными называют конструкции, которые при разных видах воздействия (при механических ударах, температуре, агрессивных химических средах и т. п.) сохраняют свои размеры с высочайшей точностью.

Почему именно производство данных структур как вариант использования карбона приводится в качестве опорного примера? Дело в том, что при эксплуатации этих высокоточных интегральных конструкций именно композитные материалы помимо прочих требований отлично решают еще и задачу снижения веса с сохранением необходимой прочности. Более того, в отличие от других изделий к таким системам предъявляются еще и высокие требования сохранения размеров, а также точности и стабильности параметров профиля независимо от условий эксплуатации. Следовательно, жесткие требования предъявляются еще к самому их производству.

Дело в том, что в процессе полимеризации, проходящей в условиях высокого давления и температуры, значение которой часто достигает отметки в 200 °С, может возникнуть температурная деформация, зависящая от теплофизических свойств материала. Относится это и к оснастке, и к изделию.

Такие технологические и физико-механические явления и привели ученых к необходимости изобретения формообразующей композитной оснастки. И создается она исходя из ряда параметров.

Технологические:

• показатель герметичности формообразующей поверхности оснастки;

• соблюдение равномерного распределения температурного поля;

• характеристика твердости поверхности.

Конструктивные:

• точность поверхности в определенном температурном диапазоне;

• близость КЛТР (расшифровывается как коэффициент линейного термического расширения) самого изделия и КЛТР формообразующей оснастки для него;

• уровень допустимой шероховатости формообразующей поверхности.

Экономические:

• стоимость производства такой оснастки;

• стоимость подготовки к производству;

• энергетические затраты на ее создание;

• ее ремонтопригодность.

При этом очень часто экономика и параметры эксплуатации входят в противоречие, поскольку чем выше качество оснастки, тем дороже ее производство.

Особенности применения оснастки

Как уже было обозначено, при производстве формообразующей оснастки, в том числе и для создания размеростабильных конструкций, традиционно использовались и даже продолжают использоваться по сей день металлы или металлические сплавы. Это просто, надежно и удобно — если говорить о более-менее массовом производстве.

Да, оснастка из металла действительно может выдержать от 100 циклов формования деталей из композитных материалов и при этом у нее не будет никаких отклонений от заданной геометрии, а параметры эксплуатации будут соблюдены в полной мере. Единственным же недостатком тут, послужившим началом более глубоких исследований в этом вопросе, стала разница в тех самых КЛТР металлической технологической оснастки и получаемых с ее помощью изделий из карбона, которая чревата появлением остаточных напряжений и деформаций, что сильно снижает эксплуатационные характеристики итоговой конструкции.

В принципе, там, где это несущественно, до сих пор активно применяются формообразующие металлические матрицы, поддерживая рентабельность производства. Но вот в тех областях, где крайне важно сохранение точности, используют уже технологическую оснастку из волокнистых композитных материалов, термомеханические характеристики которых такого же порядка, что и у материалов, из которых формуются сами изделия.

Понятно, что главное преимущество такого технологического подхода — в высокой точности процесса и, как следствие, сохранении стабильности характеристик конечной конструкции.

Особенности технологии

На начальном этапе производят выкладку слоев армирующего материала на поверхности мастер-модели. Выкладка производится с учетом расчетной толщины оболочки оснастки и схемы армирования.

Дальнейшее получение оболочки производят одним из существующих способов, которыми пользуются для изготовления деталей из углепластика.

• Формование в автоклаве. Это наиболее распространенный метод с использованием препрегов.

• Контактный способ формования, или, как его еще называют, мокрый способ, когда на заранее уложенные слои влажного армирующего материала наносят валиком либо кистью связующее вещество и после без использования давления происходит полимеризация.

• Также используются технологии вакуумной инфузии, вакуумной инжекции, вакуумного формования либо формование с применением пленочного связующего вещества. Перечисленные методы называют безавтоклавными.

• Фрезеровка оснастки из готового формованного карбона толщиной больше 50 мм.

После формования, не снимая с мастер-модели оболочки, на нее устанавливают опоры и фиксируют их специальным клеем. Далее снимают оболочку технологической оснастки и подвергают ее завершающему отверждению с последующей механической обработкой, куда также входит создание отверстий. Это может понадобиться, чтобы обеспечить возможность установки элементов (знаков), что бывает необходимо для дальнейшей сборки. На данном этапе проводится обработка, целью которой является получение нужных параметров точности и шероховатости. Часто на этапе обработки поверхностей со сложной геометрией используют станки с ЧПУ.

Ответственным моментом тут является выбор материала, поскольку он основывается на соотношении характеристик для каждой конкретной производственной задачи. На это влияют следующие факторы:

• характеристики будущей оснастки;

• технология ее изготовления;

• технология производства будущей детали.

Металл или углепластик?

Провести сравнительный анализ металлических оснасток и тех, что выполнены из композитных материалов с использованием карбона, можно только опираясь на конкретные виды материалов. Однако возможно выявить общие преимущества оснастки из композитных материалов.

• Во-первых, практически идентичный коэффициент линейного термического расширения оснастки и получаемого изделия, что гарантирует прочность конечной структуры.

• Во-вторых, небольшая масса оснастки по сравнению с металлической, что как минимум позволяет обходиться без дополнительной спецтехники для перемещения.

Тем не менее, из существенных недостатков нужно отметить стоимость, которую пока не удается снизить. Ведь металлическая оснастка обходится дешевле уже при производстве ее самой.

Из этого следует, что в каждом конкретном случае необходимо проводить экономический анализ рентабельности и целесообразности затрат на изготовление композитной оснастки и дальнейшего производства изделий с ее помощью.

Как вариант снижения стоимости карбоновой оснастки вполне можно рассматривать использование альтернативных, более дешевых материалов в конструкции. То есть применение ее должно быть экономически обосновано, если никакими другими методами невозможно получить изделие с заданными жесткими характеристиками.

Области использования

Для справки можно заметить, что в целом композитная формообразующая оснастка необходима при производстве высокоточных деталей сложных форм и важного значения, применяемых, например, в авиационной отрасли, а также в космической и судостроительной. К примеру, в производстве рефлекторов зеркальных или других антенн.