Что необходимо знать каждому инженеру о композитных материалах

Боб Лаковарра ,

Технический директор,

Ассоциация производителей композитных материалов. (CFA)

Определение

Инженеры, конструкторы, архитекторы либо разработчики спецификаций, не специализирующиеся в области композитных материалов, часто обращаются в службу технической поддержки Ассоциации производителей композитных материалов с вопросами следующего содержания: «Каковы физико-механические свойства стекловолокна?» или «Каков предел прочности на разрыв 1/8 слоистого пластика?» Хотя данные вопросы являются специализированными, в большинстве случаев, они не являются ключевыми для получения необходимых ответов.

Очень часто инженеры, не специализирующиеся в области композитных материалов, прибегают к подручным материалам (справочникам), занимаясь композитным проектированием. Например, если вы ищете информацию о балке длиной 20 фут (6 м) способной выдержать вес 2000 фунтов (900кг) вы просто открываете справочник о металлоконструкциях и выбираете необходимую толщину и ширину балки из таблицы. К сожалению, такой подход нельзя применять к композитным материалам. Эксплуатационные характеристики композитных материалов очень разнообразны, поэтому не существует такого понятия как «универсальный» композитный материал. Как раз то качество, которое делает композитный материал легко адаптируемым строительным материалом, также делает его более сложным для определения и конструирования в отличие от других строительных материалов.

Ниже приведены некоторые положения, понимание которых, будет полезно тем, кто работает с композитными материалами:

Урок 1

Композитные материалы (стеклопластик или стекловолокно) включают в себя множество материалов и эксплуатационных характеристик.

Композитные материалы (в целях данного обсуждения) – это строительные материалы, которые состоят из термореактивной смолы и армированного волокна. В процессе формования жидкая смола смешивается с армированным волокном и затвердевает в плотный слоистый материал. Существует множество видов смол и средств уплотнения и каждый из них привносит свои характерные свойства в продукты из стеклопластика.

Существует по крайней мере шесть основных групп смол, таких как полиэфир, сложный виниловый эфир, модифицированная акриловая смола, эпоксидный клей, феноло-альдегидная смола, уретановые смоляные системы, которые используются в производстве композитных материалов. Это не полный список, хотя, стоит отметить, что каждая из перечисленных смол имеет свои характерные эксплуатационные свойства. Если вы предпочитаете скорость, купите спортивный автомобиль. Для перевозки грузов используйте грузовик, для поездок по бездорожью – внедорожник. То же самое с использованием смол. Например, если главная задача – избежать коррозии, то предпочтение отдавайте сложному виниловому эфиру. Если наиболее важным является высокая прочность, то выбирайте эпоксидный клей. Если главное цена – эксплуатационные показатели, то обычно используют полиэфирную смолу. Что касается полиэфирных смол, то, если главное косметические свойства, используются специальные формулы; если важна устойчивость к коррозии либо важным фактором является цена, то применяются высокие температуры. Смоляная система выбирается на основании функциональных и ценовых требований к продукту.

Также, в производстве композитных материалов используется армирующее волокно. Стеклопластик используется в 90% всех композитных материалов. Однако, если необходимо, используется усовершенствованный волокнит такой как кевлар® или углеволокно, высокие характеристики которых оправдывают уровень стоимости. Существует множество способов армирования стекловолокна в зависимости от способа формования и требований прочности к продукту. Существует стекловолокно с произвольной ориентацией волокон в форме мата из рубленого стекловолокна. Существуют также легкие ткани, тяжелые тканые материалы, плетеные ткани, а также кордные стеклянные ткани, каждая из которых служит для выполнения специальных функций в композитном проектировании. Для того чтобы максимально увеличить стоимость/пользу композитных материалов, составляющие части должны быть изготовлены на заказ согласно применению.

Урок 2

Существует множество методов производства композитных материалов.

Композитные материалы формуются множеством методов: от самого простого и недорогого, до сложного и требующего больших капиталовложений. Процесс формования обычно основывается на двух основных факторах: первый – необходимые конечные свойства продукта, второй – необходимый объем производства продукта. С помощью открытого способа формования можно произвести небольшое или среднее количество изделий. Капиталовложения на оборудование для формования открытым способом достаточно невелики, тем не менее, затраты на оплату труда на производстве достаточно существенны. На другой чаше весов – различные способы закрытого формования, где капиталовложения велики, а затраты на рабочую силу ниже.

Порой возникает дилемма в случае с новым продуктом, где невозможно предсказать объемы продаж. Легче начать производство с меньших объемов, а затем вкладывать средства в производство больших объемов, если пойдут продажи. Сложнее – заранее вкладывать средства в производство больших объемов, надеясь на то, что все окупится, когда пойдут продажи. Начиная производство любого нового продукта, необходимо провести подробный анализ затрат на протяжении жизненного цикла, а также долгосрочных способов производства.

Урок 3

Жесткие размерные допуски влекут затраты.

Во многих случаях очень важным фактором являются размерные допуски продукта. Вопрос состоит в том: «Насколько это является важным?» Снижение степени точности неразрывно связано с реальными затратами. Затраты начинаются на этапе изготовления чертежа и длятся на протяжении всего процесса производства. Инженерам-технологам приходится сталкиваться с непростым вопросом произвольной допустимости отклонения от стандартного размера, что не связано с функцией продукта. Конструкторам и инженерам необходимо реально определить допуски и установить максимально допустимую степень точности, если рассматривать ее с точки зрения затрат при достижении такой точности. Способ формовки должен иметь возможность устанавливать предел ограничений на допустимые отклонения.

Урок 4

Хорошее оборудование – это хорошее вложение средств.

Иногда обсуждение начинается так: "Мы начнем производить на сделанном наспех оборудовании, а когда пойдут продажи, мы установим хорошее производственное оборудование". Когда дело касается оборудования для композитных материалов, действует принцип Пуролатора (Purolator) – «ты можешь заплатить мне сейчас или позже». Дешевое оборудование почти никогда не приводило к хорошему результату. Качество формованного изделия напрямую зависит от оборудования, на котором оно изготовлено.

Слишком типичен сценарий, когда на дешевом оборудовании производится товар ненадлежащего качества, а затем возникают проблемы. В соответствии с требованиями к производству, должны быть изготовлены промежуточные формовые изделия до установки постоянного производственного оборудования. Общая стоимость, проблемы качества, а также простои, могут легко перевесить затраты на установку высококачественного оборудования в начале проекта. Относительно оборудования для производства композитных материалов безоговорочно действует старая поговорка: «Бесплатный сыр только в мышеловке».

Урок 5

Не ставьте целью замещение производства металлоконструкций.

Замена металлоконструкций композитными материалами может принести значительную пользу и выгоду. Однако, если композитные материалы используются для имитации формы и дизайна металлоконструкции, то польза утрачивается. Металлы и композитные материалы формуются по-разному. Металлоконструкции могут формоваться штамповочным или листоштамповочным прессом, с помощью которого создаются тонкие листы и тонко очерченные углы. Металлоконструкции применяются для изготовления продольных балок и проектирования панелей.

Возможности композитных материалов намного шире. Например, композитные материалы не ограничиваются тонкими контурными металлическими листами. С другой стороны, очень острые небольшие углы приветствуются в меньшей степени в формовке композитных материалов. Использование сандвичевых конструкций позволяет избежать применение продольных балок или ребер. Максимальную выгоду можно извлечь из применения композитных материалов, используя их как продукт, изготовленный для композитных конструкций, а не в качестве замещения металла.

Урок 6

На первоначальной стадии проектирования привлеките к работе производителя композитных материалов. 

Термин 1990-ых «интегрированное производство» означает совместную работу над проектом конструкторов, инженеров, а также производителей, что позволяет избежать неэффективных результатов. Используя концепцию командной работы с самого начала проекта, можно устранить возможные проблемы до наступления необратимых последствий. Конструктор должен понимать возможности процесса формования, а производитель должен овладеть знаниями о функциональных возможностях продукта. Инженер должен подобрать необходимый материал в соответствии с эксплуатационными требованиями, а также целями затрат.

В виду того, что производитель становится центральным лицом в процессе производства продукта, соответствующего техническим характеристикам и стоимостным показателям, он или она становится основным источником необходимой информации на первоначальных этапах проектирования. Производитель и конструктор могут совместно работать над моделированием и возможностями производства, т.к производитель может подсказать инженеру наиболее рентабельный способ формования, а также материалы, необходимые для реализации проекта. Практика показала, что привлечение производителя на начальном этапе проекта, помогает избежать дорогостоящих ошибок со стороны конструкторов и инженеров.

Данные 6 уроков являются ценным источником обучающей информации для инженеров и конструкторов не специалистов области композитных материалов, но работающих в области производства продуктов из волокнитов. Используя ресурсы отрасли композитных материалов, можно избежать распространенных ошибок в процессе разработки и финансирования работы над продуктами из волокнита. Понимание перечисленных важных вопросов поможет принять обоснованные решения, которые приведут проект к успеху.

Выражаем благодарность:

Опубликован в издании Производство композитных материалов, май 1995 г.

Включен в данную статью с разрешения издания «Производство композитных материалов»