Įprastinis anglių pluošto prepego formavimo metodas

Sudėtingame aviacijos ir aukštos kokybės gamybos pasaulyje anglies pluošto prepregatas formavimo technologija yra panaši į „nematoma amatininką“, kuri labai tiksliai formuoja aukštos kokybės medžiagas, derinančias stiprumą ir lengvumą. Kaip klasikinė kompozitinių medžiagų srityje naudojama technologija, tradicinė anglies pluošto praskiedimo rezina (prepreg) formavimo metodika jau dešimtmečius tobulinama ir iki šiol lieka aukštosios gamybos „pagrindu“. Šiandien išsamiai panirsime į šios technologijos esmę, kad pamatytume, kaip ji virsta iš sluoksnio anglių pluošto audinio, impregnuoto dervomis, į kosminės skrydžio priemonės dalį ar lenktyninio automobilio korpuso skeletą.

Kas yra anglies pluošto praskiedimas rezina (prepreg)?

Norėdami suprasti formavimo metodą, pirmiausia turime suprasti pagrindinę „prepreg“ sąvoką. Paprasčiau tariant, anglies pluošto prepreg yra anglies pluošto gijų ir dervos „ideali kombinacija“ – griežtai kontroliuojamoje temperatūros ir slėgio aplinkoje epoksidinė derva, fenolinių dervų ir kitos matricinės medžiagos tolygiai impregnuojamos į anglies pluošto audinį, sudarydamos lipnią kompozitinės medžiagos ritę ar lakštą su tam tikru klampumu.
Ši „ankstyvoji impregnavimo“ savybė skiriasi nuo sauso pluošto formavimo proceso: dervos kiekis ir pasiskirstymas nustatomi iš anksto, o vėlesnis formavimas reikalauja tik tiksliai tinkamai įdėti medžiagą į formą ir visiškai polimerizuoti, žymiai sumažinant vietos operacijų sudėtingumą. Tai panašu į paruoštą tešlą prieš kepimą – receptas jau sureguliuotas, belieka tik valdyti kaitinimo laipsnį ir laiką.

Įprastinis formavimo metodas

（1）Autoklavinis formavimas
Aukštos kokybės kompozitinių medžiagų, naudojamų aviacijos ir kosmoso pramonėje, gaminimo aukso standarto procesas. Jis apima anglies pluošto priešprivalymo dėklą su forma hermetiškai uždengiant vakuumine kišene ir talpinant į didelį, aukštos temperatūros ir slėgio indą – karštąjį presavimo baką. Kietinimo metu į baką vienu metu taikomas tolygus aukštas slėgis (kelios atmosferos) ir aukšta temperatūra, leidžiant dervai visiškai išsilieti ir suspausti pluoštus, todėl gaunamos detalės su labai dideliu pluošto kiekiu ir žema poringumu.
Šio proceso privalumas yra tas, kad jis gamina sudėtingas konstrukcines dalis nepakartotinos kokybės, puikiomis mechaninėmis savybėmis ir vientisumu. Tačiau trūkumai yra akivaizdūs: karštojo presavimo įranga pati savaime yra itin brangi, sunaudoja daug energijos ir turi ilgus bei brangius gamybos ciklus, todėl paprastai naudojama tik aviacijoje ir F1 lenktyninėse mašinose, kur reikalingas ekstremalus našumas.
（2）Kompresinis formavimas
Labai efektyvus procesas vidutinės ir didelės apimties gamybai. Jis įkrauna fiksuotą kiekį preliminariai impregnuoto ar formavimo mišinio (pvz., SMC) į iš anksto pašildytą metalinę formą, tada uždaroma forma ir taikomas aukštas slėgis bei temperatūra, kad medžiaga galėtų tekėti formos ertmėje, užpildyti ją, o po to, izoliuojant ir išlaikant slėgį, sukietėtų ir suformuotųsi.
Šio proceso privalumai – aukštas automatizacijos lygis, greita gamyba, produkto matmenų tikslumas ir abu paviršiai yra lygūs. Tačiau dėl būtinybės naudoti standžią formą, atsparią aukštam slėgiui, pradinės investicijos yra brangesnės. Jis labai tinka masinei struktūrinių detalių gamybai, kurioms reikalingas aukštos kokybės paviršius, pvz., automobilių karoserijos plokštėms, baterijų korpusams ir aukštos kokybės sporto įrangai.
（3）Vakuumo maišelio formavimas
Pagrindinis ir dažnai naudojamas procesas, kuriam naudojamas atmosferos slėgis, siekiant sutraukti kompozitinius medžiagas. Serija pagalbinių medžiagų dengiama rankiniu būdu klijuotu arba prepreg sluoksniu, o visa sistema hermetiškai uždaroma vakuumine maišeliu, kuri nuolat siurbiami vakuumo siurbliu, kad būtų sukurta neigiamas slėgis, dėl ko atmosferos slėgis tolygiai veikia gaminio paviršių, taip pašalinant orą ir sutraukiant struktūrą.
Šis metodas gali ženkliai padidinti pluošto kiekį, sumažinti poringumą ir pagerinti dėžutės pasiskirstymo vientisumą, o jo kaina yra daug žemesnė nei karštojo presavimo rezervuaro. Tačiau jis gali suteikti tik apie 0,1 MPa maksimalų slėgį, todėl našumo viršutinė riba nėra tokia gera kaip aukšto slėgio proceso, todėl jis plačiai naudojamas laivų statyboje, prototipų kūrime ir vidutinio našumo reikalavimus turinčiuose kompozitiniuose detalių gaminiuose.
（4）Ritininis apvyniojimas
Kryptinis procesas, specializuotas aukštos našumo plonų sienelių vamzdžių gamybai. Anglies pluošto prepregas supjaustomas tam tikru kampu, tada tiksliai apvyniojamas įtemptas ant formos, dažniausiai suvaržomas suspaudimo juosta, kad būtų taikomas kompaktiškumo slėgis, po to kaitinamas ir sukietinamas krosnyje bei nuimamas nuo formos, kad būtų gautas vamzdis.
Šis procesas leidžia tiksliai kontroliuoti pluošto orientaciją (pvz., 0°, ±45° kombinacijos), pasiekiant puikius ašinius mechaninius atsparumo savybes, gerą matmenų tikslumą ir paviršiaus kokybę. Tačiau jis priklauso nuo prepregų ir formų, turi ribotą gamybos efektyvumą ir daugiausia naudojamas aukštos kokybės sporto reikmenėse, tokiuose kaip golfo lazdelių kotai, žvejybos meškerių kotai ir dviračių priekinių šakų kojos.
（5）Siūlo vyniojimas
Automatizuotas procesas sukamųjų aukštos stiprybės detalių gamybai. Tolygus anglies pluošto takelis impregnuojamas dėvinyje, tada kompiuteriu valdoma vyniojimo galvutė tiksliai dedama ant besisukančio formavimo strypo iš anksto nustatytais profiliais ir kampais, kol pasiekiama projektuota storis, o po to kietinama į formą.
Didžiausias šio proceso pranašumas yra tas, kad pluoštai yra nuolatiniai ir tolygiai įtempti, leidžiantys pasiekti labai didelį pluošto tūrinį turinį ir stiprumo panaudojimą, ypač talpykloms, veikiamoms vidaus slėgio. Tačiau jis apribotas iki iškilųjų sukamųjų formų ir brangios įrangos. Tipiškos pREKĖS yra aukšto slėgio dujų balionai (CNG/Vandenilis), vamzdynai ir raketinių variklių korpusai.
（6）Stumiamasis formavimas
Labai efektyvus procesas tolydinei kompozitinių profilių su pastoviu skerspjūviu gamybai. Panašiai kaip „makaronai“, jis traukia tolydžius anglies pluošto siūlus ar audinius per dervos vonelę, kad būtų impregnuoti, tada praleidžia juos per šildomą tikslų plieninį formą, kur jie formuojami, suspaudžiami ir tolydžiai kietinami, o galiausiai traukiami traukiikliu ir supjaustomi į pastovaus ilgio atkarpas.
Procesas yra labai produktyvus, leidžiantis automatizuotą tolydinę gamybą, aukštą žaliavų panaudojimo efektyvumą ir didelį ekonominį efektyvumą. Tačiau jo gaminiai apriboti ties tiesiaeigiais profiliais su pastoviu skerspjūviu, o išilginė stipris yra daug didesnis nei skersinis. Dažni produktai apima santvarų tiltų elementus, kabelinius tiltus, kopėčių strypus bei įvairius strypus ir profilius.
（7）Slėgio maišo formavimas
Tai gali būti laikoma vakuumine maišo formavimo versija, kuriai pridėtas patobulinimas. Remiantis vakuumo maišo sistema, visa hermetiškai uždaroma forma yra patalpinama į sandariai uždaromą slėgio baką, kuris ne tik išsiurbia orą iš vidaus, bet ir paduoda suspausto oro į baką, taikant didesnį teigiamą slėgį (paprastai 0,4–0,6 MPa) vakuumo maišo išorėje, dėl to pasiekiama didesnis formavimo slėgis nei naudojant vien tik vakuumą.
Šis metodas ženkliai pagerina pluošto kiekį ir detalės sutankinimą be didelės karštojo preso bako įsigijimo investicijos ir pranašesnis už vien tik vakuumo maišo procesą. Jis idealiai tinka gaminti didelėms detalėms, kurios netilpta į karštojo preso baką, pvz., mažiems ir vidutinio dydžio laivų korpusams, geležinkelio vagonų dalims bei stambesniems radiolopų dangtams.

Anglies pluošto prepregų formavimo metodų palyginimas

Būsimasis: inovacijos paveldo kontekste

Tradicija nereiškia stagnacijos. Šiandien pramonė įveikia technologines kliūtis „mikro-inovacijomis“: pavyzdžiui, sukurti žemoje temperatūroje greitai kietėjantys dervų mišiniai, kurie kietėjimo laiką sutrumpina nuo 2 iki 30 minučių; naudojama automatizuota sluoksniavimo įranga, pakeičianti rankinį sluoksniavimą ir padidinant efektyvumą; taip pat net dirbtinio intelekto algoritmai formų projektavime, kad būtų optimizuotas slėgio pasiskirstymas ir sumažinti defektai.
Šios patobulinimai leido tradicinėms technologijoms išlaikyti jų našumo pranašumus, tuo pačiu palaipsniui perėjus prie „aukšto efektyvumo ir žemos kainos“ modelio, ir toliau svarbiai prisideda prie kompozitinių medžiagų srityje.
Nuo kosminės technikos iki sporto įrangos, tradicinis anglies pluošto prepreg formavimo metodas interpretuoja gamybos filosofiją „lėtai ir tvirtai“ stipriu amatininkystės darbu. Jis gali būti ne pažangiausias, tačiau situacijose, kur reikalingas ekstremalus patikimumas, ši „tradicija“ yra tiksliai kokybės užtikrinimo brangiausia savybė.