Технология — вакуумная инфузия

Вакуумная инфузия — надежный способ создания изделий из карбона

Вакуумная инфузия сегодня — это наиболее перспективная технология получения деталей из композитных материалов. Она имеет недлинный, но очень приятный список преимуществ, а также недостатки, которые можно расценивать лишь как нюансы производства, ведь никто из-за них от метода не отказался — скорее, наоборот. Но о преимуществах и недостатках поговорим позже. Сначала — о сути и этапах технологии, чтобы избавить достоинства от налета рекламной помпезности.

В чем суть технологии вакуумной инфузии

Этот способ создания изделий из композитных материалов заключается в их формовке с последующей пропиткой связующим веществом за счет создания разряжения и, соответственно, возникающей разницы давлений с окружающей средой.

В ходе процесса пустόты в материалах заполняются смолой (связующим веществом), которое подается в жидком виде. После отверждения получается монолитный «пирог» — вернее, деталь, в которой намертво соединены слои армирующего материала.

Иными словами, всё просто. Но это — с точки зрения теории. Ведь ключевым моментом является качественное удаление воздуха из всех микроскопических пространств, чтобы его место могла занять смола.

Армирующие ткани и связующие вещества

Наиболее используемыми армирующими материалами являются углеродные ткани и стеклоткани. А связующим веществом могут быть полиэфирные, эпоксидные, эпоксивинилэфирные и другие смолы. Какой именно состав связующего будет использован, зависит от его свойств: вязкости, времени полимеризации и других факторов.

Стадии производства

Сразу хочется заметить, что перед началом процесса формования (особенно если это индивидуальный заказ) инженерами проводится математическое моделирование. Это необходимо, чтобы определить правильную стратегию инфузии, о которой будет сказано ниже, а также сделать оптимальный выбор материалов: связующего, оборудования (трубки, фитинги, зажимы и т.п.), расход ткани и тд.

1. Подготовка матрицы

Это первый и ответственный этап, от качества проведения которого будут зависеть свойства будущего изделия. Матрицу (или форму) производят из материалов, которые химически устойчивы к материалам соприкасающихся компонентов, а также способны выдержать необходимые технологические температуры.

Матрица должна быть целостной, без трещин, выбоин и пустот, которые не только способствуют образованию пузырьков в конечном изделии, но и снижению давления в процессе вакуумизации. А отсутствие целостности скажется на прочности и эстетическом несовершенстве.

На этапе подготовки поверхность матрицы чистят и покрывают разделительным агентом. Далее, если это предусмотрено проектом, наносят гелькоут для формирования внешней поверхности детали. Так получаются изделия с необходимым цветом и гладкой поверхностью, которая способна защитить это изделие от УФ-излучения и воды, а также от влияния химических сред.

Гелькоут чаще используется при производстве продуктов сложных форм, так как позволяет сэкономить на последующей обработке поверхности. И если техническим заданием предусмотрено использование гелькоута, то следующим этапом технологии будет его частичная полимеризация.

2. Укладка армирующих тканей

Предварительно раскроенные части укладывают слоями. Чтобы слои хорошо соприкасались друг с другом и не смещались, применяются клеевые спреи — так слои будут плотно прижаты друг к другу. Выкладка тканей ведется согласно техническому заданию для набора необходимой толщины изделия, также учитывается направления волокна для обеспечения жесткости и прочности деталей.

3. Создание технологического слоя (выкладка вспомогательных материалов)

Данный слой создается за несколько этапов.

• Укладка слоя ткани со зловещим названием «жертвенная». Это — слой, разделяющий оснастку и армирующие ткани. Жертвенная ткань имеет устойчивую перед смолой пропитку и используется для разных целей: устранение неровностей на поверхности, подготовка их к окрашиванию или склейке, а также сохранение чистоту поверхности. Как правило, укладывается она в один слой, но должна полностью покрывать поверхность детали, поэтому по размеру должна быть немного больше ее. Жертвенная ткань потому так и называется, поскольку удаляется при завершении технологического процесса.

• Укладка дренажной сетки для отвода воздуха и распределения смолы, поступающей по распределительным трубкам. Такая сетка тоже укладывается в один слой, если техническим заданием не предусмотрено иное, и имеет размеры будущей детали с расширением в местах расположения вакуумных соединителей и каналов распределения связующего.

• Укладка каналов распределения смолы и вакуумных линий. В качестве каналов распределения смолы используются спиральные или экструдированные трубки. Вакуумные линии необходимы как для отвода воздуха, так и удаления излишков связующего вещества. Расположение этих каналов — задача непростая, зависит от многих начальных параметров, а также опыта и расчетов. Если всё сделано правильно, не возникнет никаких проблем.

4. Герметизация формы

В качестве герметизирующего слоя используется специальная многослойная композитная пленка, которая имеет существенные отличия от схожей с ней обычной полиэтиленовой, которую часто используют в быту. Так, эта пленка, как правило, имеет высокий модуль растяжения (до 400 % и выше) и способна выдерживать высокие температуры (до 100 ⁰С и выше). Выбирается она в зависимости от используемого связующего материала и сложности формы.

Пленки должно хватать, чтобы распределить ее по всему контуру формы с учетом изгибов, поэтому ее площадь должна быть больше площади поверхности формы как минимум на 30 % (40 % — еще лучше). В местах, где вакуумный мешок не будет соприкасаться с формой, будут образовываться так называемые «мостики», где обычно скапливается смола. Как можно догадаться, готовая деталь в таких случаях не будет иметь однородную структуру, от чего пострадает и ее прочность.

Далее, подключив вакуумный насос, необходимо подвергнуть форму герметизации. Она выполняется с использованием герметизирующего жгута и требует внимания при укладке, чтобы не образовывалось участков с натяжением.

Несмотря на то, что вы можете быть уверены в качестве герметизации, не лишним будет в этом убедиться, отключив насос. Чем дольше вы выдержите форму в таком состоянии, тем точнее будут результаты, которые вы можете оценить по показаниям вакуумметра. Время проверки может варьироваться от 15 до 45 минут.

Если вы заметите, что стрелка вакуумметра поднялась на 1-2 деления, ищите место утечки. Это может оказаться трудной задачей, особенно если деталь имеет большие размеры и сложную геометрию. Помочь в этом может специальное ультразвуковое устройство. Хотя иногда, чтобы повысить уровень герметизации, просто используют двойной вакуумный мешок.

Главное правило, которого желательно придерживаться на данном этапе: пока форма не будет загерметизирована полностью, переходить к запуску связующего не рекомендуется, поскольку существует опасность образования пор в армирующем материале, что чревато падением механических характеристик детали. Для сравнения: 1 % пор на ≈ 10 % снижает межслоевую прочность.

5. Пропитка смолой

Благодаря создаваемой вакуумом разнице давлений с окружающей средой, связующее будет буквально всасываться внутрь, заполняя собой все имеющиеся пустоты между пленкой (мембраной) и оснасткой. Армирующий материал, жертвенная ткань и дренажная сетка — всё будет пропитываться смолой, не оставляя пустотам никакого шанса.

По завершении пропитки подача смолы прекращается и запускается процесс отверждения (полимеризация).

Далее снимается вакуумный пакет (мешок) и вообще весь технологический слой. Готовую деталь вынимают и подвергают дальнейшей обработке.

Примечание: учитывая, что практически все виды смол в процессе полимеризации «любят» тепло, для придания изделию максимальных прочностных характеристик, прогревайте их в специальных печах. Постотверждение рекомендуется проводить в заневоленном состоянии.

Еще несколько слов о выборе связующего вещества

Несмотря на то, что состав связующего выбирают, опираясь на задачи заказчика, а также назначения будущего изделия, процесс инфузии диктует свои жесткие требования.

1. Низкая вязкость. Влияет на скорость пропитки армирующих материалов. Чем меньше вязкость, тем выше скорость пропитки. В некоторых случаях для придания связующему низкой вязкости, его подогревают.

2. Низкий экзотермический пик. Дело в том, что при отверждении связующего происходит выделение тепла, то есть экзотермическая реакция. Экзотермический пик — это максимальное значение температуры при отверждении. Если это не учитывать, слой одновременно пропитываемых материалов (особенно если он имеет большую толщину), потенциально может разрушить не только матрицу, но также пленку и пластиковые трубки.

3. Время полимеризации. Этот параметр важен при изготовлении предметов с большими размерами, поскольку процесс инфузии должен быть полностью завершен до момента, когда начнется полимеризация.

Стратегии инфузии

Под стратегией понимается схема размещения точек подачи связующего материала и вакуумных каналов. Этому необходимо уделять особое внимание, чтобы добиться равномерной пропитки армирующих материалов.

Когда речь идет о деталях больших размеров, помимо расположения, учитывается время и последовательность подачи смолы по точкам расположения. Чаще используются параллельная или кольцевая схема.

Параллельная схема ("фронтальная пропитка") подразумевает противоположное позиционирование подающего и вакуумного канала. Другими словами, связующее вещество движется от одной стороны к другой. К недостатку такой схемы относят потенциально возможное скапливание воздуха по периметру формы.

При кольцевой схеме вакуумный канал проходит по периметру формы. При этом места подачи находятся внутри такого кольца. Связующее вещество движется от центральной точки по направлению к периметру. При такой схеме не будет натекания воздуха, так как система замыкается в кольцо (отсюда и название) вакуумным каналом.

Недостатки технологии и ее преимущества

Самым, пожалуй, большим недостатком является сложность разработки стратегии инфузии для изготовления крупногабаритных деталей и большая номенклатура требуемых материалов. Это ведет к удорожанию себестоимости, хотя другие технологии, где используется автоклав, например, тоже пока нельзя назвать дешевыми. Также предъявляются высокие требования к квалификации персонала.

Зато преимущества пока делают ее безальтернативной, поскольку:

• она дает возможность получать большие изделия с заданными характеристиками прочности без необходимости делить их на составные части;

• она обеспечивает высокое качество и однородность пропитки материалов, снижая требуемые объемы связующего;

• получающиеся изделия обладают самым оптимальным соотношением волокно-связующее, что позволяет им иметь меньший вес при повышенной прочности (тонкостенные прочные детали);

• появляется возможность поучать идеально гладкие поверхности, независимо от объемов и сложности форм;

• безопасность для здоровья человека достигается путем минимального взаимодействия с вредными химическими составами.

Заключение

Технология вакуумной инфузии пока тяжело коррелируется с серийным производством в большом масштабе. Однако сегодня она является единственной для производства крупногабаритных деталей и часто используется для изготовления корпусов летательных аппаратов из карбона или других композитных материалов, а также водного транспорта.