polskiEnglish
FirmaProdukcjaTechnologieWspółpraca
Strona główna > Technologie > Metody wytwarzania

METODY WYTWARZANIA


Metody wytwarzania wyrobów z kompozytów polimerowych

Żywice stosowane do produkcji kompozytów polimerowych można utwardzać bez stosowania podwyższonych temperatur a formowanie wyrobów można realizować przez warstwowe nakładanie mat lub tkanin z włókien wzmacniających na prostą jednostronną formę i przesycanie ich kompozycją żywicy np. za pomocą pędzla. Taka prosta, ręczna metoda formowania, kiedy wyrób powstaje bez stosowania wysokich temperatur i ciśnienia, w wyniku kontaktu materiałów wyjściowych z nieskomplikowaną jednostronną formą, nazwana została metodą kontaktową lub metodą laminowania ręcznego (ang. hand lay-up). Jest to najpopularniejsza metoda produkcji wyrobów z kompozytów polimerowych. Prostota tej metody pozwala na szybkie uruchomianie produkcji nowych wyrobów, przy niskich kosztach oprzyrządowania. Wystarczy wykonać model planowanego wyrobu, jednostronną skorupową formę (zazwyczaj także z kompozytów polimerowych i również metodą kontaktową) i można rozpoczynać produkcję. Zaletą tej metody jest brak ograniczeń co do gabarytów wyrobu oraz możliwość wykonywania wyrobów nawet o dość skomplikowanym kształcie, w postaci skorupy uzyskanej w odpowiednio dzielonej formie lub jako zestaw kształtek z kilku form, połączonych monolitycznie w kolejnych operacjach laminowania. Metodą formowania kontaktowego można produkować bardzo różnorodne wyroby. Mogą to być zarówno niewielkie obudowy sprzętu laboratoryjnego i elektronicznego jak i osłony maszyn, elementy karoserii i całe karoserie samochodowe, łodzie żaglowe i kutry rybackie, baseny kąpielowe, aparatura chemiczna, zbiorniki czy silosy.

Metoda kontaktowa nakłada pewne ograniczenia co do wykonania i konstrukcji wyrobów. Tylko jedna powierzchnia wyrobu produkowanego tą metodą jest gładka (ma fakturę powierzchni formy). Druga powierzchnia ma fakturę zbliżoną do faktury stosowanego wzmocnienia Grubość ścianek wyrobu, formowanych ręcznie z wielu warstw kompozytu nie jest równomierna. Zawartość włókna wzmacniającego zależy od formy stosowanego wzmocnienia i wynosi dla maty szklanej około 30% a dla tkaniny około 40%. W przypadku maty szklanej rozłożenie włókna szklanego w wyrobie jest przypadkowe a więc własności wytrzymałościowe są anizotropowe; w przypadku. stosowania tkanin lub włókna ciągłego można - w pewnym zakresie - uzyskać pożądaną kierunkowość tych własności. Niektóre pożądane cechy wyrobu można stosunkowo łatwo uzyskać, stosując określone rozwiązania konstrukcyjne. Na przykład zwiększaną sztywność wyrobów można uzyskać za pomocą odpowiednich przetłoczeń ścianek wyrobu, żeber uformowanych na jego wewnętrznej powierzchni, konstrukcji przekładkowej czy przez stosowania włókien o wyższym module sprężystości (np. wstawek z włókna węglowego w kompozycie z włókna szklanego). Należy także pamiętać, że jakość wyrobu .produkowanego metodą kontaktową w dużym stopniu zależy od dobrze przygotowanej technologii produkcji, przestrzegania zawartych w niej procedur i operacji kontroli i samokontroli a także od rzemieślniczych umiejętności i solidności bezpośredniego wykonawcy wyrobu.

Odmianą metody kontaktowej jest metoda natrysku. W metodzie tej nie stosuje się włókien wzmacniających w postaci mat i tkanin, lecz włókno ciągłe (najczęściej w postaci tzw. rowingu szklanego) które za pomocą specjalnych urządzeń jest cięte i - równocześnie z kompozycją żywicy - natryskiwane na formę, tworząc na niej rodzaj luźnego kożucha. Po jego dociśnięciu do formy, podobnie jak w klasycznej metodzie kontaktowej za pomocą pędzli i wałków, powstaje skorupa wyrobu. Metoda ta pozwala na stosowanie włókiem wzmacniających w tańszej postaci, mechanizuje niektóre elementy procesu produkcyjnego i niejako wymusza pewne uporządkowanie procesu wytwarzania. Równocześnie jednak utrudnia kontrolę grubości wyrobu, który przy stosowaniu mat i tkanin szklanych jest regulowany ilością nałożonych warstw wzmocnienia. Natrysk, obok nakładania pędzlem, stosuje się także do formowania w wyrobach kompozytowych warstwy tzw. żelkotu to znaczy warstwy barwionej żywicy; spełniającego w tych wyrobach funkcję warstwy ochronnej i dekoracyjnej. Stosowanie urządzeń natryskowych zwiększa oczywiście nakłady inwestycyjne na uruchomienie produkcji.

Do produkcji wyrobów z żywic chemoutwardzalnych stosowane jest często wspomaganie próżnią. Aby to było możliwe musi istnieć hermetyczna forma dwuczęściowa. Ponieważ przy stosowaniu próżni ciśnienie działające na formy ogranicza się do ciśnienia atmosferycznego, metodą próżniową można realizować w stosunkowo prosty sposób. Dużą jednostronną formę np. planszy reklamowej o powierzchni 25 m2 można pokryć przeponą foliową i uszczelnić na obrzeżu. Do sztywnej formy kasku o zamkniętym kształcie można dodać elastyczny silikonowy worek. Do większej sztywnej formy np. skorupy łodzi wykonuje się drugą część formy z kompozytów, w postaci cienkiej a więc dość elastycznej wkładki. Takie dwuczęściowe formy muszą mieć oczywiście odpowiednie uszczelnienie na obrzeżu. Formując wyroby kompozytowe ze wspomaganiem próżnią można uzyskać szereg korzyści:

  • Lepsze przescenie i odpowietrzenie wyrobu
  • Wyższą zawartość włókien wzmacniających
  • Bardziej gładką powierzchnię wewnętrzną wyrobu
  • Możliwość lepszego wklejenia konstrukcyjnych wkładek (pianka, drewno balsa i t.p.)
  • Hermetyzację procesu (zmniejszenie emisji szkodliwych substancji)
Niekiedy, we wspomnianym wyżej rozwiązaniu z elastycznym: workiem, można obok odpowietrzania próżniowego stosować także jego dociskanie do formy za pomocą sprężonego powietrza a więc ciśnieniem większym niż atmosferyczne.

Do wykonywania wyrobów o zamkniętym kształcie, obok metody z elastycznym workiem stosowana bywa także metoda prasowania elastycznym stemplem. Kask czy hełm, można uformować przy pomocy stempla np. z poliuretanu, który dzięki swojej elastyczności dociśnie kompozyt do ścianek matrycy, nawet jeśli ma on kształt skorupy zamkniętej, osłaniającej uszy.

Inną, szeroko stosowaną metodą produkcji wyrobów z kompozytów polimerowych jest metoda zwana RTM. W metodzie tej kompozycję żywicy wtłacza się pod niewielkim ciśnieniem do szczelnej formy, w której wcześniej umieszczono włókniste wzmocnienie. Jej nazwa jest skrótem angielskiej nazwy - resin transfer moulding. Oprócz ciśnienia pod którym przetłaczana jest żywica stosuje się niekiedy także próżnię wspomagającą zamykanie formy i zapewniającą lepsze przesycenie wzmocnienia. W metodzie RTM ciśnienia stosowane do formowania wyrobów są znacznie wyższe niż przy stosowaniu jedynie próżni a dwustronne formy muszą być znacznie sztywniejsze i precyzyjniejsze. Wpływa to pozytywnie na jakość i powtarzalność wyrobów. Zmechanizowanie procesu przesycania wzmocnienia zmniejsza pracochłonność procesu, a wykorzystanie ciepła egzotermicznej reakcją utwardzania żywic skraca cykl formowania wyrobów. Metoda RTM jest więc znacznie wydajniejsza i pozwala na produkcję wyrobów kompozytowych o wyższej jakości i większej powtarzalności niż metoda kontaktowa. Stosowane kompozycje żywic można w znacznie większym stopniu modyfikować przez dodatek wypełniaczy.

W innej metodzie formowania z zastosowaniem niewielkich ciśnień i stosunkowo prostego oprzyrządowania, tak zwanej metodzie prasowania na zimno również wykorzystywane jest ciepło reakcji polimeryzacji spoiwa (dzięki czemu forma rozgrzewa się choć nie ma instalacji grzewczej) a przesycanie wzmocnienia wspomagane jest niewielkim ciśnieniem. Najczęściej jest to docisk odpowiednio wykonanego ciężkiego stempla.

Szczególne miejsce wśród metod wytwarzania kompozytów zajmują metoda przeciągania (pultruzji) oraz metoda nawijania (filament winding) Wyroby produkowane tymi metodami mają wysoką zawartość włókna wzmacniającego (rzędu 70%, a w niektórych specjalnych wyrobach nawet 90%) a jego ułożenie jest uporządkowane. Są to więc wyroby o bardzo wysokiej wytrzymałości, mającej kierunkowy charakter i dającej się programować.

Metodą pultruzji produkowane są pręty i profile. Przeciągane jest przez wannę z kompozycją żywicy włókno przechodzi następnie przez ustniki formujące i odciskające nadmiar żywicy oraz strefę grzejną, gdzie następuje utwardzenie.

W metodzie nawijania, na obracający się rdzeń (będący w tym przypadku właściwie formą wyrobu), nawija się wiązka ciągłych włókien wzmacniających przeciąganych wcześniej przez wannę ze spoiwem. Przez odpowiednie zaprogramowanie ruchu wanny rdzenia na specjalnym urządzeniu (nawijarce) uzyskuje się pożądane ułożenie włókien wzmacniających w wyrobie. Tą metodą produkowane są rury, zbiorniki i inne wyroby o kształcie brył obrotowych. Przy zastosowaniu specjalnych włókien i żywic metodą nawijania produkowane są elementy wyrzutni rakietowych oraz rakiet balistycznych.

Dwie ostatnio omówione metody, ze względu na wysokie zmechanizowanie procesu przesycania i formowania wyróżniają się także bardzo wysoką wydajnością.

Powyższy przegląd pokazuje jak różnorodne są techniki wytwarzania kompozytów polimerowych z żywicami chemoutwardzalnymi. Kontaktowa metoda formowania jest bardzo prosta co pozwala na tanie i szybkie uruchamianie produkcji wyrobów o praktycznie dowolnych wymiarach. Może być ono opłacalne dla wyrobów produkowanych nawet w bardzo krótkich seriach. Kolejne omówione metody, kosztem skomplikowania oprzyrządowania i urządzeń produkcyjnych a więc konieczności zwiększenia nakładów na uruchomienie produkcji, zapewniają uzyskanie różnorodnych korzyści dotyczących tempa, skali czy wydajności produkcji lub też uzyskanie określonych cech i jakości wyrobów.

Najbardziej wydajną, wysoce zmechanizowaną metodą wytwarzania wyrobów z termoutwardzalnych kompozytów polimerowych jest ich prasowanie. W metodzie tej najpierw, w sposób wysoce zmechanizowany i zautomatyzowany wytwarza się tłoczywa, z których następnie formuje się wyroby. W pierwszym etapie powstaje półfabrykat kompozytu, w drugim jest on przetwarzany na wyroby, w sposób nie odbiegający pod względem wydajności i skomplikowania technicznego od innych przemysłowych procesów produkcyjnych np. wytwarzania wyrobów termoplastycznych metodą wtrysku.

Tłoczywa termoutwardzalne określane skrótami SMC i BMC składają się z trzech podstawowych komponentów. Są to - połączone ze sobą mniej więcej w równych proporcjach - żywice chemoutwardzalne, włókna wzmacniające i wypełniacze. Możliwość wprowadzenia do tłoczyw dużej ilości wypełniaczy i dodatków uszlachetniających daje wiele korzyści:
  • Obniża koszty materiałowe
  • Zmniejsza niekorzystne zjawiska skurczowe
  • Pozwala na nadawanie tłoczywom określonych cech przetwórczych (np. łatwość odformowywania, niski skurcz) a wyrobom pożądanych cech użytkowych: (np. korzystne własności pożarowe)
Ogólnie stosowany w piśmiennictwie technicznym skrót SMC to pierwsze litery angielskich słów "sheet moulding compound" co oznacza tłoczywo w formie płytowej. Tłoczywo to jest produkowane w procesie ciągłym, w postaci kilkusetkilogramowych rolek względnie elastycznej "skóry" o szerokości 1-2 metrów i grubości 2-4 mm. BMC (bulk moulding compound) - to tłoczywo w postaci bezkształtnej masy lub sypkiego granulatu, dostosowane do przetwórstwa na prasach lub wtryskarkach do tworzyw termoutwardzalnych.

Własności tłoczyw SMC i BMC można modyfikować stosując różne rodzaje, gatunki i kombinacje żywic i włókien wzmacniających, utwardzaczy oraz wypełniaczy i przeróżnych dodatków uszlachetniających. Producenci tych materiałów dysponują dziesiątkami rodzajami i odmianami standardowych i setkami receptur tłoczyw opracowanych i dostosowanych do specyficznych wymagań konkretnych odbiorców. Technologia produkcji tłoczyw SMC pozwala dodatkowo na uzyskiwanie wyrobów o własnościach wytrzymałościowych mających kierunkowy charakter. Ułożenie włókien wzmacniających w tych wyrobach może być - w pewnym zakresie - uporządkowane i zgodne z kierunkami występujących w nich naprężeń.

Tłoczywa BMC służą do produkcji wyrobów o mniejszych gabarytach i wymaganiach wytrzymałościowych takich jak strukturalne elementy i obudowy maszyn biurowych, elementy magnetofonów i magnetowidów, wyłączników elektrycznych, urządzeń sterowniczych, sprzętu gospodarstwa domowego, obudowy lamp ulicznych, korpusy żelazek itp.

Tłoczywa SMC są szeroko stosowane do produkcji zderzaków i elementów karoserii - szczególnie traktorów i samochodów produkowanych w krótszych seriach (ciężarowych, dostawczych, specjalistycznych). Z tłoczyw SMC w przemyśle motoryzacyjnym wykonuje się też dźwiękochłonne osłony podsilnikowe, reflektory, ramy do szyberdachów, pojemniki na koło zapasowe. W transporcie kolejowym i samolotowym - ramy okienne, ścianki działowe i sufity przedziałów, półki na bagaże i t.p. Znajdują one szerokie zastosowanie jako elementy małej architektury - ławki parkowe, siedziska amfiteatrów i stadionów, słupy ogłoszeniowe, elementy ograniczające ruch samochodowy - bariery, pachołki.
Doskonałą ilustracją możliwości technicznych wyrobów z SMC i korzyści z ich stosowania może być przegroda silnikowa samochodu osobowego na której montuje się, w dokładnie wprasowanych tulejkach i śrubach, elementy instalacji i osprzętu silnika. Taka osłona - wytrzymała, precyzyjnie wykonana i doskonale powtarzalna, odporna na korozję, podwyższone temperatury oraz oleje i smary - jest wykonywana w jednym krótkim cyklu prasowania. Zamienia ona cięższy i droższy element metalowy, składający się z wielu tłoczonych; wykrawanych, toczonych, zgrzewanych i zabezpieczanych antykorozyjnie detali.

 

Obróbkka modelu frezarką sterowaną numerycznie
 
Patryca formy RTM
 
Wycinanie kształtek z maty szklanej, podstawowego wzmocnienia dla kompozytów z żywic poliestrowych

Układanie warstw maty szklanej
 
Natrysk warstwy żelkotowej na formę klapy tylnej samochodu (metoda RTM)
 
Wtrysk żywicy do zamkniętej formy klapy tylnej samochodu

Gotowe wyroby formowane metodą RTM
 
Forma ściany czołowej tramwaju
 
Ściany czołowe tramwaju formowane metodą kontaktową

  Copyright by Bella 2009 | Polityka Prywatności