Традиційний метод формування препрегу з вуглепластику

У складному світі авіації та високотехнологічного виробництва пропрег з вуглецевого волокна технологія формування подібна до «невидимого майстра», яка з високим ступенем точності обробляє матеріали, поєднуючи міцність і легкість. Як класичний процес у галузі композитних матеріалів, традиційний метод формування карбонового препрегу все ще залишається «основою» високотехнологічного виробництва, пройшовши десятки років удосконалення. Сьогодні ми детально розглянемо основну логіку цієї технології, щоб побачити, як із шматка просоченої смолою карбонової тканини виготовляють ключовий компонент космічного апарату чи каркас кузова гоночного автомобіля.

Що таке вуглецеволокно?

Щоб зрозуміти метод формування, спочатку необхідно знати основне поняття "препрегу". Простими словами, карбоновий препрег — це "ідеальне поєднання" волокна і смоли — у строго контрольованому середовищі температури та тиску епоксидна, фенольна та інші матричні смоли рівномірно просочуються в тканину з вуглецевого волокна, утворюючи клейкий рулон або лист композитного матеріалу з певною в'язкістю.
Саме ця особливість "попереднього просочування" відрізняє його від процесу формування сухих волокон: вміст і розподіл смоли встановлюються заздалегідь, а подальше формування полягає лише в тому, щоб правильно розташувати матеріал у формі та забезпечити його повне затвердіння, значно зменшуючи складність робіт на місці. Це наче тісто, яке готують заздалегідь перед випіканням — рецепт уже підібраний, залишається лише витримати температуру та час випікання.

Традиційний метод формування

（1）Формування в автоклаві
Золотий стандарт виготовлення композитів високого класу для аерокосмічної промисловості. Цей процес передбачає герметизацію напівфабрикату з вуглепластику та форми у вакуумному пакеті та розміщення їх у великому термопресі — високотемпературному й високотисковому автоклаві. Під час процесу полімеризації на матеріал одночасно подаються рівномірний високий тиск (кілька атмосфер) і висока температура, що дозволяє смолі повністю проникнути між волокнами та ущільнити їх, у результаті чого утворюються деталі з дуже високим вмістом волокна й низькою пористістю.
Перевага цього процесу полягає в отриманні складних конструкційних деталей безпрецедентної якості з відмінними механічними властивостями та стабільністю. Однак недоліки також дуже очевидні: саме обладнання для гарячого пресування є надзвичайно дорогим, споживає багато енергії та має довгі й коштовні цикли виробництва, тому його зазвичай застосовують лише в аерокосмічній галузі та у формулах 1, де потрібна екстремальна продуктивність.
（2）Пресування
Дуже ефективний процес для середніх і великих обсягів виробництва. Він передбачає розміщення фіксованої кількості препрегу або формувального матеріалу (наприклад, SMC) у попередньо нагріту металеву форму, після чого форма закривається, і прикладаються високий тиск і температура, що дозволяє матеріалу розтікатися всередині порожнини форми, заповнюючи її, а потім відбувається витримка під тиском і температурою для затвердіння та формування.
Перевагами цього процесу є високий ступінь автоматизації, швидке виробництво, висока точність розмірів виробу та гладка поверхня з обох боків. Однак через необхідність використання жорсткої форми, яка витримує високий тиск, початкові інвестиційні витрати є вищими. Цей метод дуже підходить для виготовлення масових конструкційних деталей, які потребують якісної поверхні, наприклад, кузовних панелей автомобілів, корпусів акумуляторів та високопродуктивного спортивного обладнання.
（3）Вакуумне формування у мішку
Основний і поширений процес, що використовує атмосферний тиск для ущільнення композитних матеріалів. Серія допоміжних матеріалів покривається шаром, нанесеним вручну або препрегом, і вся система герметизується вакуумним мішком, який безперервно працює через вакуумний насос для створення розрідження, завдяки чому атмосферний тиск рівномірно діє на поверхню виробу, видаляючи повітря та ущільнюючи структуру.
Цей метод може значно збільшити вміст волокна, зменшити пористість і поліпшити рівномірність розподілу смоли, а його вартість набагато нижча, ніж у автоклава. Однак він може забезпечити максимальний тиск лише близько 0,1 МПа, і граничні показники продуктивності гірші, ніж у високотискового процесу, тому він широко використовується у суднобудуванні, при створенні прототипів і композитних деталях із середніми вимогами до продуктивності.
（4）Намотування валком
Напрямковий процес, спеціалізований на виробництві високоефективних тонкостінних труб. Препрег із вуглепласту розрізають під певним кутом, потім точно намотують під натягом на оправку, зазвичай далі обгортають стискальною стрічкою для створення тиску ущільнення, після чого нагрівають та полімеризують у печі й витримують для отримання труби.
Цей процес дозволяє точно контролювати орієнтацію волокон (наприклад, комбінації 0°, ±45°), забезпечуючи відмінні механічні властивості при осьових циклічних навантаженнях, а також високу точність розмірів і якість поверхні. Однак він базується на використанні препрегів і оправок, має обмежену ефективність виробництва й застосовується переважно у високоякісних спортивних товарах, таких як клюшки для гольфу, вудилища та вилки велосипедів.
（5）Намотування волокна
Автоматизований процес виготовлення обертових високоміцних елементів. Неперервне волокно з вуглецевого наповнювача просочується у ванні з смолою, а потім точно наноситься за допомогою намотувального пристрою з комп'ютерним керуванням на обертовий оправка під заданими профілями та кутами до досягнення проектної товщини, після чого полімеризується для формування.
Найбільша перевага цього процесу полягає в тому, що волокна є неперервними та рівномірно натягнутими, що дозволяє отримати надзвичайно високий вміст об'єму волокон і максимально використовувати міцність, особливо для посудин, що працюють під внутрішнім тиском. Однак він обмежений опуклими формами обертання та потребує дорогого обладнання. Типові товари включають балони високого тиску (CNG/водень), трубопроводи та корпуси ракетних двигунів.
（6）Пултрузія
Дуже ефективний процес безперервного виробництва композитних профілів з постійним поперечним перерізом. Як «спагеті», він протягує неперервні смуги або тканини з вуглепластикових волокон через ванну з смолою для просочування, потім пропускає їх через нагріву точну сталеву форму, де вони формуються, ущільнюються та безперервно полімеризуються, після чого витягуються тракторним пристроєм і нарізаються на відрізки постійної довжини.
Процес є надзвичайно продуктивним, дозволяє автоматизоване безперервне виробництво, високе використання сировини та значну економічність. Однак його продукція обмежена лінійними профілями з постійним поперечним перерізом, а міцність уздовж напрямку значно вища, ніж у поперечному. Поширені продукти включають елементи фермових мостів, кабельні мости, жердини для драбин, а також різноманітні стрижні та профілі.
（7）Формування під тиском у гумовій оболонці
Це можна вважати покращеною версією формування у вакуумному мішку. На основі системи вакуумного мішка всю герметизовану форму поміщають у герметичну камеру під тиском, що дозволяє не лише викачувати повітря зсередини, а й подавати стиснене повітря в камеру, створюючи більший додатній тиск (зазвичай 0,4–0,6 МПа) на зовнішню сторону вакуумного мішка, забезпечуючи таким чином більші формувальні тиски, ніж при чистому вакуумі.
Цей метод значно покращує вміст волокна та ущільнення деталі без необхідності великого капіталовкладення в гарячу автоклавну камеру і перевершує процес формування лише за рахунок вакууму. Він ідеально підходить для виготовлення великих деталей, які не можуть поміститися в гарячій прес-камері, наприклад, корпусів невеликих і середніх суден, частин вагонів та великих радом.

Порівняння методів формування препрегів із вуглецевого волокна

Майбутнє: Інновації в спадщині

Традиція не означає стагнацію. Сьогодні галузь подолує вузькі місця за рахунок «мікронововведень»: наприклад, розробка смол, які швидко тверднуть при низьких температурах і скорочують час витримування з 2 годин до 30 хвилин; впровадження автоматизованого обладнання для формування, що замінює ручне укладання шарів для підвищення ефективності; а також використання алгоритмів штучного інтелекту в проектуванні форм для оптимізації розподілу тиску та зменшення дефектів.
Ці покращення дозволили традиційним процесам зберегти свої експлуатаційні переваги, поступово переходячи до моделі «висока ефективність і низька вартість», і продовжують відігравати важливу роль у галузі композитних матеріалів.
Від космічних апаратів до спортивного обладнання, традиційний метод формування препрегу з вуглепластику інтерпретує філософію виробництва «повільно і стабільно» завдяки міцній роботі. Можливо, це не найсучасніший метод, але в сценаріях, де потрібна гранична надійність, саме ця «традиція» є найціннішим гарантій якості.