Оснастка для формовки композитов

Композитный материал имеет две составляющие. Первая – основа, она же связующее вещество. Может быть полимерной, металлической, углеродной, керамической и т.д. Вторая – армирующий наполнитель в виде волокон, нити, ткани, мелкодисперсных частиц и др. Подбирая состав и свойства наполнителя и связующего, их соотношение и ориентацию наполнителя можно получить материал с требуемыми эксплуатационными и технологическими характеристиками.

Одним из видов композитов являются так называемые полимерные композитные материалы (ПКМ). В качестве армирующего наполнителя в них выступает волокно в том или ином виде, к примеру, ткань или нить из углеволокна или стеклопластика. А связующим является полимерный материал. При этом могут использоваться как реактопласты с низкой вязкостью (эпоксидные, фенолформальдегидные и т.д.), так и термопласты (полиамид, полипропилен и др.).

Изготовление ПКМ

Следует понимать, что в большинстве случаев процесс изготовления ПКМ, по сути, является и процессом создания самого изделия. То есть, из составляющих сразу формируется нужная композитная структура или деталь.

В основном ПКМ используются для создания полых изделий, таких как:

  • Армированные трубы
  • Резервуары и баллоны
  • Полые и трубчатые структурные компоненты

Технология

Сначала создается оправка. Это деталь, по форме повторяющая конечное изделие, по сути, служащая этакой мастер-моделью, на которую будет наслаиваться материал. То есть она несет в себе внутреннюю геометрию конечной композитной структуры, и та будет формироваться как бы вокруг этой оправки. Фактически она и является так называемой удаляемой оснасткой.

 

Наполнитель может быть в виде нити, жгута, ленты, рулона ткани, пористого волокнистого материала. Намотка, как правило, происходит в автоматическом режиме при помощи специального оборудования. Применяют различные схемы укладки армирующего материала в зависимости от его типа и требуемых характеристик.

Способы нанесения связующего материала

В случае использования реактопластов (химически отверждаемых полимеров) смесь смолы и отвердителя наносится после намотки армирующего материала. Возможно как ручное нанесение, так и использование распылительных систем. Допустим также вариант, когда наполнитель заранее пропитан смолой, а отвердитель наносится отдельно, после обмотки. Или же смола может наноситься на материал прямо в процессе обмотки.

Как уже было сказано, можно использовать в качестве связующего термопласты. При этом их волокна переплетают с волокнами наполнителя, или укладывают так, чтобы они были распределены по объему детали максимально равномерно. Затем получившуюся заготовку обрабатывают в автоклаве при высоком давлении и температуре, превышающей температуру плавления связующего. Термопластик плавится, растекается под действием давления и фиксирует волокна. После этого деталь охлаждается.

Постобработка

Прежде чем начать финишную обработку – обрезка излишков пластика или смолы, сверление отверстий и т.д. – нужно удалить оснастку из полости готовой детали. Зачастую именно эта процедура вызывает множество сложностей.

Оправка не может быть изготовлена из хрупкого материала, поскольку зачастую даже сам процесс намотки создает ощутимую нагрузку. А если композитная деталь затем подвергается обработке в автоклаве, то и оснастка должна выдерживать высокую температуру и давление, не деформируясь. В противном случае будет испорчено само изделие.

Не всегда представляется возможным подобрать для оправки выплавляемый материал. Процесс выплавки может повредить или деформировать конечную деталь. Чаще всего оснастку приходится удалять механически. При условии её достаточно высоких прочностных характеристик это накладывает серьезные ограничения на сложность изделия. Использование сборных составных конструкций немного выправляет ситуацию, но лишь частично. В конечном итоге при разработке технический специалист будет проектировать изделие таким образом, чтобы в первую очередь из нее можно было без лишних затруднений извлечь оправку, а геометрия и функционал детали могут оказаться на втором плане.

3D печатная удаляемая оснастка

Оправку для композитных структур можно напечатать на 3D принтере. Такой подход обладает рядом преимуществ:

  • Намного быстрее, чем традиционные методы. К примеру, литьё или механическая обработка. Оснастка изготавливается за дни, а не недели или месяцы.
  • Меньше трудозатраты. 3D печатная оснастка требует минимум постобработки и ручного труда, а сам процесс печати почти полностью автономен.
  • Дешевле. Другие методы зачастую многоэтапны и требуют больше материалов. Также особая структура заполнения печатаемой модели позволяет тратить меньше пластика в ходе печати.
  • Оправка легко удаляется. Используется специальный материал, который можно легко и довольно быстро растворить в определенном реагенте. Этому также способствует то, что оснастка печатается с уникальной треугольной проницаемой структурой заполнения. Благодаря ей модель быстрее растворяется и её проще выламывать при механическом удалении.
  • Геометрия любой сложности. Процесс 3D печати сам по себе лишен геометрических ограничений традиционных методов, а использование легко удаляемого растворимого материала предоставляет огромную свободу при проектировании конечной детали.

Таким образом, создание оправки с помощью 3D принтеров Stratasys и специально разработанного материала станет удачным решением, которое позволит существенно снизить затраты и сократить сроки, а также серьезно упростить весь технологических цикл.

Специально разработанный для этих целей термопластик ST-130 доступен для промышленных аппаратов Fortus 900mc и Fortus 450mc.