Процесс укладки

Процесс Lay-Up представляет собой процесс формования композитных материалов , в котором конечный продукт получается путем наложения друг на друга определенного количества различных слоев, обычно изготовленных из непрерывных полимерных или керамических волокон и термореактивной полимерной жидкой матрицы . Его можно разделить на Dry Lay-up и Wet Lay-Up, в зависимости от того, предварительно пропитаны слои или нет. Dry Lay-up является распространенным процессом в аэрокосмической промышленности из-за возможности получения сложных форм с хорошими механическими свойствами, характеристиками, требуемыми в этой области. Напротив, поскольку Wet Lay-Up не позволяет получать однонаправленные ткани, которые имеют лучшие механические свойства, он в основном применяется для всех других областей, которые в целом имеют более низкие требования с точки зрения производительности. ^{[1] [2]}

Основными этапами процесса выкладки являются резка, ламинирование и полимеризация. ^{[ требуется ссылка ]} Несмотря на то, что некоторые этапы производства могут быть автоматизированы, этот процесс в основном выполняется вручную (поэтому его часто называют процессом ручной выкладки ), что приводит к получению ламинатов с высокими производственными затратами и низкой производительностью по сравнению с другими технологиями. ^{[ требуется ссылка ]} Таким образом, в настоящее время он в основном подходит для мелкосерийного производства от 10 до 1000 деталей. ^{[2] [3]}

Резка тканей является первым этапом процесса Lay-Up. Несмотря на то, что волокна, в общем, имеют высокую прочность на разрыв, прочность на сдвиг обычно довольно низкая, поэтому их довольно легко резать. Этот процесс может быть ручным, полуавтоматическим или полностью автоматическим. ^[1]

Что касается режущих инструментов, наиболее распространенными являются ножницы, резаки, ножи и пилы. Более автоматизированными альтернативами являются системы высечки, которые позволяют достигать более высоких скоростей производства при ограничении общих затрат, поскольку они позволяют одновременно вырезать больше слоев ткани. ^{[ требуется цитата ]} Эти методы требуют от оператора разных навыков и обеспечивают разную точность отделки, но все они являются механическими процедурами и имеют один общий главный недостаток: физический контакт между режущим инструментом и волокнами. ^[4] Альтернативным процессом с меньшим трением является ультразвуковой метод, который заключается в резке тканей лезвием, приводимым в действие высокочастотными механическими вибрациями, создаваемыми внутренним источником, интегрированным в систему. ^[1] Существуют также полностью бесконтактные методы резки, такие как лазерная резка и резка струей воды , обе обычно встроены в станки с ЧПУ . ^{[ требуется цитата ]} Первый метод получается с помощью сходящегося пучка излучения, который испаряет материал под ним и использует сжатый газ для удаления летучих частиц и расплавленного материала. Последний основан на использовании жидкостного пучка высокого давления, который достигает скорости в 2,5 раза выше скорости звука, создавая давление на ткань, превышающее сопротивление материала сжатию, что приводит к чистому разрезу. ^{[ необходима ссылка ]} Оба эти метода имеют общий недостаток, который необходимо учитывать перед выбором метода резки: пучки создают высокотемпературные области вдоль осей разреза, в которых физические характеристики материала могут существенно измениться. ^{[1] [5]}

В процессе раскроя основным параметром, который следует учитывать, является компоновка раскроя , то есть расположение различных форм, которые необходимо вырезать из ткани, чтобы уменьшить количество обрезков. ^{[ требуется ссылка ]} Выкройки, как правило, создаются в цифровом виде и, по возможности, передаются на станок с ЧПУ или, в противном случае, воспроизводятся вручную. ^[1]

Ламинирование тканей является вторым этапом процесса Lay-Up. Это процедура наложения всех слоев в правильном порядке и с правильной ориентацией. В случае Wet Lay-Up подготовка смолы включена в эту операцию, поскольку ткани еще не пропитаны. Ламинирование обычно выполняется в чистой комнате , чтобы избежать включений частиц в слоях, которые могли бы повлиять на характеристики конечного продукта. ^[1]

Самым важным инструментом является форма , которая может быть мужского или женского пола в зависимости от применения. Она может быть изготовлена ​​из разных материалов в зависимости от усадки и коэффициента теплового расширения композитного материала, требуемой жесткости, требуемой отделки поверхности, углов наклона и угла изгиба. ^{[ необходима цитата ]} Кроме того, форма должна быть стабильной при температуре ламинирования, выдерживать рабочее давление, быть устойчивой к износу, быть совместимой с другими используемыми инструментами, быть устойчивой к моющим растворителям и должна легко наносить разделительные составы. ^[6]

Первый этап ламинирования заключается в нанесении разделительного состава на форму, что является основополагающим для предотвращения адгезии между смолой и самой формой. При необходимости для отделки поверхности можно добавить слой peel-ply. ^{[ необходима цитата ]} Peel-ply — это нейлоновые пленки, используемые для получения определенной шероховатости поверхности, на которую они наносятся, для защиты их во время хранения и для улавливания летучих частиц во время полимеризации. ^{[ необходима цитата ]} Затем все слои ткани накладываются друг на друга в соответствии с инструкциями в книге по клею, которая содержит список всех операций, которые необходимо выполнить в ходе этого процесса. ^{[ необходима цитата ]} Обычно промежуточное уплотнение выполняется каждые 4 или 5 слоев, чтобы дать воздуху выйти и получить конечный продукт с лучшими механическими характеристиками. ^[1]

После того, как все слои ткани были размещены в правильном положении, сверху наносится еще один слой peel-ply с той же целью, что и первый. Поверх него добавляется последовательность других слоев: разделительная пленка, которая отделяет ламинат от других слоев, но все еще позволяет излишкам смолы проходить; ^{[ требуется ссылка ]} воздухоотводчик, чья основная функция заключается в поглощении избытков смолы; барьер, отделяющий воздухоотводчик от воздухоотводчика; воздухоотводчик, равномерно распределяющий вакуум по внешним поверхностям и предотвращающий перенос складок вакуумного мешка на поверхность ламината; вакуумный мешок, гибкая полимерная пленка, обычно изготавливаемая из нейлона, способная поддерживать вакуум, создаваемый вакуумным насосом . Другими важными элементами являются клапаны и герметик, используемый для герметичного запечатывания вакуумного мешка. ^{[1] [7] [8] [9]}

Этот процесс может быть ручным, полуавтоматическим или полностью автоматическим. При полностью ручном выполнении ламинирование является длительным и сложным процессом (из-за требуемых строгих допусков). Альтернативой является полуавтоматический - также называемый "механически вспомогательным" - процесс, состоящий из машины, которая обрабатывает слои, которые затем наносятся на форму оператором. Он полностью автоматический, если машина, такая как автоматическая машина для укладки ленты, также может размещать слои в правильном положении и ориентации. Эти автоматические методы позволяют достичь высокой производительности. ^[1]

Полимеризация ламината является третьим и последним этапом процесса Lay-Up. Эта фаза имеет первостепенное значение для получения требуемых характеристик конечного продукта. ^[1]

Этот процесс можно осуществить при комнатной температуре только с помощью вакуумного насоса для управления вакуумом, с помощью промышленной печи, подключенной к вакуумному насосу, для управления температурой и вакуумом, или с помощью автоклава для управления температурой, вакуумом, а также гидростатическим давлением . ^{[1] [10]}

Полимеризация в автоклаве — это метод, позволяющий получать ламинаты с наилучшими механическими свойствами, но он самый дорогой и допускает использование только открытых форм. Преимущество заключается в том, что давление помогает склеивать слои композита и выталкивать воздушные включения и летучие продукты, повышая качество процесса. ^{[8] [11]} Каждая комбинация ткани и смолы имеет свои собственные оптимальные циклы полимеризации, зависящие от смачиваемости волокон и свойств смолы, таких как вязкость и точка гелеобразования. ^{[ необходима цитата ]} Обычно три цикла температуры, давления и вакуума изучаются экспериментально, чтобы получить наилучшее сочетание трех параметров. Полимеризация в промышленной печи похожа, но без контроля давления. Она менее затратна и поэтому используется для всех тех ламинатов, которым не нужно иметь самые высокие механические прочностные и жесткостные свойства. Более того, поскольку промышленные печи, как правило, больше автоклавов, они используются для компонентов с нестандартными размерами. ^[1]

Полимеризация с литьем в согласованную форму используется для плоских или простых по геометрии ламинатов и может включать вакуумный насос и электрический или гидравлический источник тепла . Он сделан из пресса с матрицами-патронами, которые закрываются, образуя зазор с формой компонента, ширина которого регулируется для управления толщиной детали. Пресс не может применять гидростатическое давление, как в автоклаве, а только вертикальное. Формование в согласованную форму обеспечивает очень высокую степень контроля размеров, хорошую отделку поверхности на обеих поверхностях и разумные темпы производства, но, с другой стороны, оно может допускать несоосность волокон и является очень дорогим. ^{[1] [8] [12]}

Как отметили Меола и др. в своей работе « Инфракрасная термография при оценке композитных материалов для аэрокосмической промышленности» , «Во время изготовления композитов может возникнуть несколько различных типов дефектов, наиболее распространенными из которых являются несоосность волокон/слоев, обрыв волокон, трещины смолы или поперечные трещины слоев, пустоты, пористость, шлаковые включения, неравномерное соотношение объемов волокон/смолы, несвязанные межслойные области, целующиеся связи, неправильное отверждение и механические повреждения вокруг обработанных отверстий и/или разрезов». ^[13]

Также необходимо учитывать три основные проблемы, связанные с резкой полимеризованных композитных материалов. Первая заключается в том, что армирующие волокна являются абразивными, поэтому традиционные режущие инструменты не подходят, так как их срок службы будет очень коротким, а их тупые края повредят материалы. ^{[ необходима цитата ]} Вторая заключается в том, что композитные материалы имеют низкую теплопроводность, что может привести к накоплению тепла и деформации. ^{[ необходима цитата ]} Последняя заключается в том, что композитные материалы имеют тенденцию расслаиваться при резке, поэтому необходимо учитывать это при выборе метода резки. ^{[14] [15]}