Файл: С полимерной полимерные композиционные материалы (пкм).pdf

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИПР О ИЗВ ОДС Т ВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ВВЕДЕНИЕ Композиционные материалы композиты)
- многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или др. основы матрицы, армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы связующего, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.

Рис. 1. Структура баланса используемых материалов планера самолета.

КЛАССИФИКАЦИЯ По характеру структуры композиционные материалы подразделяются на
- волокнистые
- упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами
- дисперстноупрочненнные материалы, полученные путем введения в матрицу дисперсных частиц упрочнителей;
- слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов.

В зависимости от материала матрицы КМ можно разделить наследующие основные группы
- композиции с металлической матрицей - металлические композиционные материалы (МКМ,
- с полимерной- полимерные композиционные материалы (ПКМ),
- с резиновой - резиновые композиционные материалы (РКМ);
- с керамической - керамические композиционные материалы (ККМ).

ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В большинстве случаев в качестве связующего наполнителя используется химически отверждаемая термореактивная смола, процесс отверждения характеризуется экзотермической химической реакцией. В основном используются полиэфирные, эпоксидные, фенольные и высокотемпературные смолы.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ пропитка армирующих волокон матричным материалом
 формирование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой
 холодное прессование компонентов с последующим спеканием
 электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием
 осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием
 пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов
 совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и др.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Задачей конструирования изделия из композиционных материалов является правильный подбор композиции, обеспечивающий сочетание свойств, необходимых в конкретном эксплуатационном случае. При конструировании армированных полимерных композиционных материалов широко используется компьютерная обработка данных, для чего разработано большое количество разнообразных программных продуктов.

ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ Современные программные продукты можно условно разделить на две группы
1. Выполняющие пакетный анализ ламинатов в двухмерной или
«балочной/пластинной» постановке.
2. Выполняющие пакетный анализ ламинатов в трехмерной постановке.

Программы первой группы
-
Laminator;
-
VectorCam;
-
Cirrus и др. Программы второй группы
-
FiberSim (Vistagy / Siemens PLM Software),
-
Digimat (e-Xstream / MSC Software Corp.),
-
Helius (Firehole Composites / Autodesk),
-
ANSYS Composite PrepPost, ESAComp (Altair Engineering) и др.

ДОСТОИНСТВА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ сокращение расхода композитных материалов за счет использования точных разверток и раскройных станков
 увеличение скорости и повышение качества ручной выкладки материала за счет использования точных заготовок и лазерных проекций мест их выкладки
 высокий уровень повторяемости изделий
 сокращение влияния человеческого фактора на качество производимых изделий
 снижение требований к квалификации персонала, занятого укладкой.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯМ АТ Р И Ц
- трех/пятиосевые фрезерные станки с ЧПУ
- контрольно-измерительные машины ;
- 3
D сканеры.

Рис. 1.
Пятикоординатный фрезерный станок MR 125, способен обрабатывать детали размером
15x5 ми высотой дом. Рис. 2. Фрезерный роботоризированный комплекс
Kuka.

Рис. 3. Небольшой пятикоординатный фрезерный станок. Рис. 4. Станок для автоматизированной намотки-выкладки углестеклонаполнителей
Viper 1200 FPS фирмы
MAG Cincinnati.

Рис. 5. Система лазерного позиционирования (зеленый контур.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИИ ИВ НУТРЕ Н НЕЙ СТРУКТУРЫ ИЗДЕЛИЯ При помощи сканирования можно определить насколько точно физический образец соответствует компьютерной модели. Для сканирования также можно воспользоваться координатно-измерительной машиной (КИМ) типа рука или бесконтактной оптической/лазерной системой сканирования. Однако при использовании бесконтактные системы сканирования, как правило, не могут корректно работать с зеркальными и высокоглянцевыми поверхностями.

НЕДОСТАТКИ Контроль качества готового изделия отсутствие воздушных полостей) и коррозия в процессе эксплуатации. Для неразрушающего контроля судовых корпусов из композитов достаточно широко применяют рентген, но стремятся к его сокращению по ряду соображений. В последнее время стали появляться публикации, описывающие выявление расслоений инфракрасной термографией (тепловизорами. При этом, что тепловизионный, что рентгеновский методы НК обнаруживая расслоения, не позволяют измерять их размеры и определять глубину залегания дефектов, для того чтобы оценивать их влияние на изменение характеристик прочности.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся получением порошков и изделий из них. Технологический процесс сводится к формованию порошковых или волокнистых компонентов в заготовки, которые подвергают термической обработке - спеканию. Изготовление заготовок из металлических КМ с волокнистыми наполнителями сдерживается относительно высокой стоимостью самих волокон.

СВОЙСТВА ПОРОШКОВ Физические свойства порошков характеризуются
- размером и формой частиц
- микротвердостью, плотностью
- состоянием кристаллической решетки. Технологические свойства характеризуются
- насыпной массой
- текучестью
- прессуемостью;
- спекаемостью порошка.

ПОЛУЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЛАСТИКОВ С технологической точки зрения удобно использовать отдельные пластмассы, находящиеся в жидком состоянии при нормальной температуре. В первую очередь это относится к производству крупногабаритных деталей из композиционных пластиков. Пластики состоят из связующей смолы, наполнителя ив некоторых случаях отвердителя и ускорителя отверждения. В качестве связующего предпочтительнее использовать полиэфирные и эпоксидные смолы.

В последние годы широкое применение находят углепластики. Они характеризуются низкой плотностью, высокими прочностными характеристиками и способностью выдерживать высокие температуры. К основным способам изготовления деталей из композиционных пластиков относятся
- контактная формовка,
- автоклавная формовка,
- стирометод,
- вихревое напыление,
- центробежная формовка,
- намотка и др.

СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИНОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ. Непрерывное выдавливание
2. Прессование
3. Литье под давлением
4. Вулканизация

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ В конструкциях деталей следует избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно коси прессования. Процесс формообразования деталей из композиционных материалов сопровождается значительной усадкой, поэтому в их конструкциях нельзя допускать значительной разностенности, которая вызывает коробление и образование трещин. Разностенность не должна превышать 1:3. В зависимости от габаритных размеров детали, используемого материала и других факторов оптимальной толщиной стенок считается 0,5 - 5 мм, а минимальными радиусами сопряжений - 0,5 - 2 мм.

- Отверстия в деталях получают при формообразовании литьем, прессованием и т.д.) соответствующими стержнями, устанавливаемыми в технологической оснастке (пресс-формах).
- Наличие стержней вызывает появление напряжений в деталях, так как они затрудняют свободную усадку материала.
- Отверстия лучше располагать не в сплошных массивах, а в специальных бобышках с тонкими стенками, что снижает усадку и силу обхвата стержней. В конструкциях деталей необходимо предусматривать ребра жесткости, которые позволяют уменьшить сечения отдельных элементов детали, снизить напряжения в местах сопряжения стенок различного сечения, повысить устойчивость и прочность конструкций

Армирование позволяет также повысить точность и прочность получаемых изделий. Арматуру в виде винтов, гаек, штырей и т.п. закрепляют с помощью кольцевых выточек, буртиков или канавок. Для предотвращения проворачивания на наружных поверхностях этих деталей делают рифления, насечку или плоские грани. Мелкую арматуру в виде пластинок (клеммы электрических разъемников) закрепляют с помощью боковых вырезов или отверстий. Проволочную арматуру закрепляют путем расплющивания или загибания второго конца. Конструкция пресс-формы должна надежно фиксировать арматуру и предотвращать возможность затекания материала в гнезда для установки арматуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
 Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами.
 У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы.
 Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости.