Дәстүрлі көміртегі талшықты преспен формалау әдісі

Аэроғарыш және жоғары сапалы өндірістің күрделі әлемінде көміртекті талшықты препрег формалық технология «көзге көрінбейтін шебер» сияқты, беріктікті және жеңілдікті үйлестіретін өте жоғары дәлдіктегі жоғары сапалы материалдарды пішіндейді. Композит аясындағы классикалық үдеріс ретінде, көміртек талшықтары бар шайырға түйіршіктірілген матаны формалау әдісі ондаған жылдар бойы дамып, қазіргі уақытта да жоғары дәлдіктегі өндірістің «негізгі тірегі» болып табылады. Бүгін біз осы технологияның негізгі логикасын толық талдаймыз және оның смоламен қаныққан көміртек мата парағынан ғарыш аппаратының негізгі бөлігі мен жарыс машинасының денесінің негізіне дейін қалай түрленетінін қарастырамыз.

Көміртек талшығы препрег деген не?

Пісіру әдісін түсіну үшін біз алдымен «препрег» деген негізгі ұғымды түсінуіміз керек. Қарапайым сөзбен айтқанда, көміртегі талшықты препрег — бұл көміртегі талшықты матаға эпоксидті шайыр, фенолды шайыр және басқа матрицалық материалдар қатаң бақыланатын температура мен қысым ортасында біркелкі түрде сіңірілгенде пайда болатын белгілі бір тұтқырлыққа ие композиттік материалдың рулон немесе жапырақ түріндегі «жетілдірілген үйлесімі».
Бұл «алдын-ала сіңіру» қасиеті оны құрғақ талшықтарды пісіру процесінен ажыратады: шайырдың мөлшері мен таралуы алдын-ала белгіленеді, ал әрі қарайғы пісіру тек материалды қалыпқа дәл келтіру мен толық қатуын қамтамасыз етуге бағытталады, осылайша жұмыс алаңындағы операция күрделілігін едәуір төмендетеді. Бұл пісірілетін нан үшін алдын-ала дайындалған қамыр сияқты, рецепті бұрыннан-ақ дайын, қалғаны — жылу мен уақытты дұрыс пайдалана білу.

Дәстүрлі пісіру әдісі

（1）Автоклав арқылы пісіру
Әуе-ғарыштық кластың жоғары өнімді композиттерді шығарудың алтын стандарты процесі. Бұл процесс көміртегі талшықтары бар дайын қабатты және қалыпты вакуумдық пакетке герметизациялауды және оны ыстық престік резервуар деп аталатын үлкен, жоғары температуралы, жоғары қысымды ыдысқа орналастыруды қамтиды. Күйдіру процесі кезінде бір мезгілде бірнеше атмосфера қысым және жоғары температура резервуарға әсер етеді, бұл смоланың толық ағуына және талшықтарды тығыздауға мүмкіндік береді, нәтижесінде талшық мазмұны өте жоғары, ал пористігі төмен болатын бөлшектер алынады.
Бұл процестің артықшылығы — механикалық қасиеттері мен сапасы жағынан ешқандай бәсекелестікке ие болмайтын күрделі конструкциялық бөлшектерді алуға мүмкіндік беруі. Дегенмен, кемшіліктері де өте айқын: ыстық престік жабдықтар өте қымбат, энергияны көп тұтынады және өндіріс циклдері ұзақ әрі қымбат болып келеді. Сондықтан ол әдетте экстремалды өнімділікті талап ететін әуе-ғарыш саласы мен «Формула-1» гоночтық автокөліктеріне шектеледі.
（2）Қысу арқылы қалыптау
Орташа және жоғары көлемді өндіріс үшін өте тиімді процесс. Бұл әдіс алдын ала қыздырылған метал шаблонына белгілі бір мөлшерде прег немесе қалыптау қоспасын (мысалы, SMC) салып, кейін шаблонды жабады және жоғары қысым мен температураны қолданады, материал шаблонның ішінде таралып, оны толтырады, содан кейін жылу мен қысымды сақтау арқылы қатаяды және қалыпталады.
Бұл әдістің артықшылықтары — автоматтандырудың жоғары дәрежесі, жылдам өндіру, өнімнің өлшемдік дәлдігі және екі жағының да тегіс болуы. Алайда, жоғары қысымға шыдайтын қатты қалып қажет болғандықтан, бастапқы инвестициялық шығындар жоғары. Автокөліктің дене панельдері, аккумулятор қораптары және жоғары өнімділікті спорт құралдары сияқты бетінің сапасы жоғары болуы талап етілетін көптеген конструкциялық бөлшектерді шығару үшін өте қолайлы.
（3）Вакуумдық қалта арқылы қалыптау
Композитті материалдарды ығыстыру үшін атмосфералық қысымды пайдаланатын негізгі және кең таралған үдеріс. Көмекші материалдардың бетіне қолмен желімделген немесе преспен жабылған қабат жағылады, ал бүкіл жүйе вакуумдық пакетпен жабылады, оны вакуумдық сорғыш үздіксіз сорып тұрады, сонда теріс қысым пайда болып, атмосфералық қысым өнімнің бетіне біркелкі түрде әсер етеді, нәтижесінде ауа шығарылып, құрылым ығыстырылады.
Бұл әдіс талшық мазмұнын едәуір арттыра алады, тесікшелікті төмендетеді, шайырдың таралуының біркелкілігін жақсартады және оның құны ыстық престің құнына қарағанда анағұрлым төмен. Алайда, ол шамамен 0,1 МПа-ға дейінгі максималды қысым береді және жоғары қысымды үдеріске қарағанда өнімділіктің жоғары шегі төменірек болып келеді. Бұл әдіс кеңінен кеме жасауда, тәжірибелік үлгілерде және орташа өнімділік талаптары бар композитті бөлшектерде қолданылады.
（4）Цилиндрлі орамалау
Жоғары өнімді жұқа қабырғалы түтіктерді шығаруға бағытталған процесс. Көміртек талшығының прегі белгілі бұрышта кесіледі, содан кейін кернеу астында мандрельге дәл орамаланады, әдетте компрессиялық таспа орамы қысу қысымын қолдану үшін жүргізіледі, одан кейін пеште қыздырылып, қатайтылады және пішіннен шығарылып, түтік алынады.
Бұл процесс талшықтардың бағытталуын (мысалы, 0°, ±45° комбинациялары) дәл реттеуге мүмкіндік береді және жақсы өлшемдік дәлдік пен бет сапасымен қатар өте жақсы осьтік механикалық қасиеттерге қол жеткізеді. Дегенмен, ол прегілер мен мандрельдерге тәуелді, өндіру тиімділігі шектеулі және негізінен гольф соққыларының сақиналары, балық аулау құралдарының мойындары мен велосипед жамылғылары сияқты жоғары санатты спорт заттарында қолданылады.
（5）Талшықты орамалау
Айналмалы құрылымдарды жоғары беріктікпен өндіру үшін автоматтандырылған процесс. Үздіксіз көміртек талшығы шайыр ваннасына сіңдіріледі де, одан кейін компьютерлік басқарумен жабдықталған орама басы айналатын матрицаға алдын ала белгіленген профильдер мен бұрыштар бойынша дәл орналастырылады, бұл қажетті қалыңдыққа жеткенше жалғасады, содан кейін пішінге келтіріледі.
Бұл процестің ең үлкен артықшылығы – талшықтар үздіксіз және біркелкі керілген, бұл өте жоғары талшықтың көлемдік мөлшері мен беріктікті пайдалануға мүмкіндік береді, әсіресе ішкі қысымға ұшырайтын ыдыстар үшін. Дегенмен, бұл әдіс тек дөңес айналу формаларына шектеулі және қымбат жабдықтарды қажет етеді. Типтік өнімдер жоғары қысымды газ баллондары (CNG/Сутек), құбырлар және ракета қозғалтқыш корпусын қосады.
（6）Пултрузия
Тұрақты көлденең қималы композит профильдерді үздіксіз өндірудің өте тиімді әдісі. «Спагетти» сияқты, ол үздіксіз көміртегі талшықтарының жинақтарын немесе мата материалдарын импрегнациялау үшін шайыр ваннасы арқылы тартады, содан кейін олар алдын-ала пішінделіп, тығыздалып және үздіксіз күйдіріліп шығатын қыздырылатын дәлме-дәл болат формадан өтеді, соңында трактор оларды тартып шығарады және тұрақты ұзындыққа кесіп шығарады.
Бұл үдеріс өте өнімді, автоматтандырылған үздіксіз өндіруді, жоғары шикізат пайдалануды және елеулі тиімділікті қамтамасыз етеді. Дегенмен, оның өнімдері сызықтық тұрақты көлденең қималы профильдермен шектеледі, ал бойлық беріктік көлденеңге қарағанда әлдеқайда жоғары. Кең таралған өнімдерге фермалық көпір элементтері, кабельдік көпірлер, қадағалар мен әртүрлі стерженьдер мен профильдер жатады.
（7）Қысымдық қапша формалау
Бұл вакуумдық қапшықпен календірлеудің жақсартылған нұсқасы болып табылады. Вакуумдық қапшық жүйесінің негізінде, толығымен герметизацияланған қалып герметикалық ыдысқа (резервуарға) орнатылады, бұл тек ішін сорып қана қоймай, сонымен қатар ыдысқа қысымды ауа беріледі, нәтижесінде вакуумдық қапшықтың сыртқы бетіне жоғары оң қысым (әдетте 0,4-0,6 МПа) түсіріледі және таза вакуумға қарағанда үлкен календірлеу қысымын қамтамасыз етеді.
Бұл әдіс ыстық престің резервуарына үлкен инвестиция салуды талап етпей, бөлшектің талшықтың мөлшері мен тығыздығын айтарлықтай жақсартады және тек вакуумдық қапшықпен жасалатын процестің нәтижесінен жоғары болады. Кіші және орта өлшемді қайық корпусы, пойыз вагоны бөлшектері мен үлкен радомдар сияқты ыстық престің резервуарына сыймайтын үлкен бөлшектерді шығару үшін идеалды түрде келеді.

Көміртек талшықты преформаларды формалау әдістерінің салыстыруы

Болашақ: Мұраға қалдырылған құндылықтағы инновация

Дәстүр стагнация дегенді білдірмейді. Қазір өнеркәсіп "микроинновациялар" арқылы шектеулерден тыс шығуда: мысалы, екі сағаттан жарты сағатқа дейін қатайту уақытын қысқартатын төмен температурада қатаятын және тез қатаятын смолалардың дамуы; тиімділікті арттыру үшін қолмен қабаттауды автоматтандырылған қабаттау жабдығымен алмастыру; сонымен қатар, ақауларды азайту үшін қысымды таратуды оптимизациялау мақсатында калыптарды жобалауға жасанды интеллект алгоритмдерін енгізу.
Бұл жақсартулар дәстүрлі процестердің өнімділік артықшылықтарын сақтауына мүмкіндік берді және біртіндеп "жоғары тиімділік пен төмен құнына" өтуіне және композиттік өндірісте әрі қарай маңызды рөл атқаруына ықпал етті.
Ғарыш кемесінен бастап спорт құрал-жабдықтарына дейін, дәстүрлі көміртегі талшықты преспластикалық формалау әдісі сақ және сапалы жасау философиясын береді. Бұл әдіс ең алдыңғы қатарлы болмауы мүмкін, бірақ шекті сенімділікті талап ететін жағдайларда осы «дәстүр» дәл сол ең бағалы сапаны қамтамасыз етеді.