Производство композитов вне автоклава является альтернативой традиционному процессу отверждения в автоклаве высокого давления (промышленному), который обычно используется производителями аэрокосмической техники для производства композитных материалов . Отверждение вне автоклава (OOA) — это процесс, который обеспечивает такое же качество, как и автоклав, но с помощью другого процесса. [1] Отверждение OOA обеспечивает желаемое содержание волокон и устранение пустот путем помещения укладки в закрытую форму и применения вакуума, давления и тепла с помощью других средств, кроме автоклава. Пресс RTM — это типичный метод приложения тепла и давления к закрытой форме. В настоящее время используется несколько технологий вне автоклава, включая литье под давлением смолы (RTM), литье под давлением смолы с тем же качеством (SQRTM), литье под давлением смолы с вакуумным приводом (VARTM) и формование жидкости с уравновешенным давлением. Самые передовые из этих процессов позволяют производить высокотехнологичные компоненты самолетов чистой формы.
Литье под давлением смолы (RTM) — это метод изготовления высокотехнологичных композитных структур. Процесс RTM позволяет стабильно производить композитные детали с высокой прочностью, сложной геометрией, жесткими размерными допусками и качеством деталей, которое обычно требуется для аэрокосмических приложений. RTM использует закрытую форму, обычно изготавливаемую из алюминия. В форму помещается волокнистая «накладка», например, графитовая. Форма закрывается, герметизируется, нагревается и помещается под вакуум. Нагретая смола впрыскивается в форму для пропитки волокнистой накладки. Нагрев формы и нахождение ее под вакуумом, как в вакуумном литье под давлением смолы (VARTM), способствует течению смолы. Затем форма выдерживается при температуре, достаточной для отверждения смолы. Современная технология RTM производит легкие детали с превосходными механическими свойствами. Благодаря этим качествам композитные материалы получают широкое применение в различных структурных и неструктурных приложениях, распространенных в аэрокосмической и авиационной промышленности. RTM — один из методов изготовления этих композитных структур. [1] [2]
Same Qualified Resin Transfer Molding (SQRTM) — это метод производства композитов с закрытой формой, аналогичный RTM (Resin Transfer Molding). «Same Qualified» относится к этому методу, в котором впрыскивается та же смола, что использовалась при выкладке препрега. Атрибуты «samequalified» важны для производителя, поскольку тем, кто принимает этот процесс, не нужно повторно квалифицировать смоляные материалы для своего производственного процесса. Что отличает SQRTM от стандартного литья под давлением смолы, так это замена выкладки препрега вместо сухой волокнистой заготовки. [3]
SQRTM — это процесс RTM, адаптированный к технологии препрега. Препрег помещается в закрытую форму, и во время цикла отверждения небольшое количество смолы впрыскивается в полость через порты, расположенные вокруг детали. Эта смола не попадает в ламинат, а только прижимается к краю ламината, чтобы создать гидростатическое давление на препрег, аналогичное цели отверждения в автоклаве. Это давление похоже на давление в автоклаве, порядка 6-7 бар (90-100 фунтов на кв. дюйм). Гидростатическое давление минимизирует пустоты, удерживая растворенный воздух, воду и мономеры смолы в растворе в смоле. Инструмент может быть либо самозажимающимся и самонагревающимся, либо нагреваться и зажиматься прессом. Оборудование состоит из инструмента, пресса, инжектора и вакуумного насоса. [4]
Ключевыми факторами в процессе SQRTM являются прецизионная механическая обработка закрытой пресс-формы, прессы высокого давления, высокий вакуум, применяемый к внутренней части инструмента, а также точный контроль нагревательных плит, объема впрыскиваемой смолы, температуры и давления. [ необходима ссылка ]
Преимущества процесса SQRTM включают высокий уровень интеграции, жесткие допуски и использование квалифицированных препрегов. Его недостатки включают более высокие затраты на инструменты и более низкий уровень гибкости для изменений конструкции. [5]
Вакуумное литье под давлением смолы (VARTM) отличается от предварительной обработки тем, что армирующие волокна и основные материалы укладываются на одностороннюю форму и упаковываются в вакуумные мешки. Жидкая смола вводится через порты в форме и вакуумно протягивается через армирующие элементы с помощью спроектированных каналов и инфузионных сред, которые облегчают смачивание волокон. Последующее отверждение не требует высокой температуры или высокого давления, в отличие от автоклава. Сравнительно недорогая оснастка процесса позволяет производить недорогие крупные сложные детали за один прием, [1] например, хвостовую часть Mitsubishi Regional Jet . [6]
Формование под сбалансированным давлением с использованием жидкости в качестве теплопередачи коммерчески практикуется как процесс «quickstep». Этот процесс позволяет отверждать, частично отверждать и соединять композитные материалы . Процесс включает в себя технологию плавающей формы с подогревом, заполненной жидкостью, сбалансированной по давлению. Технология плавающей формы с подогревом, используемая в этом процессе, работает путем быстрого применения тепла к ламинату, который удерживается между свободно плавающей жесткой или полужесткой формой, которая плавает в теплопередающей жидкости (HTF) и окружена ею. Быстрый нагрев может привести к значительному снижению вязкости смолы, а это, в свою очередь, позволяет достичь полной консолидации ламината с использованием давлений ниже тех, которые используются в автоклаве. Форма и ламинат отделяются от циркулирующей HTF гибкой мембраной. Деталь, обычно находящаяся под полным вакуумом, подвергается давлению жидкости до 250 кПа и может быть быстро нагрета до желаемой температуры отверждения без риска катастрофической экзотермической реакции, поскольку HTF может отводить избыточное тепло по желанию. Затем воздух удаляется под вакуумом, а ламинат уплотняется и нагревается до тех пор, пока деталь не затвердеет.
Гибкая мембрана под формой связана с камерой давления, создавая нижнюю половину набора форм в виде «ракушки» или «камеры». Вторая гибкая мембрана связана со второй камерой давления, создавая верхнюю половину ракушки. Эти камеры давления зажимаются вместе во время обработки, что позволяет сжимать ламинат, одновременно снижая нагрузку на форму, поскольку она плавает в среде сбалансированного давления внутри HTF.
Процесс может использовать термореактивные , термопластичные препреги (предварительно пропитанные композитные волокна) и влажную смолу с сухим волокном для производства превосходных композитных деталей. Этот процесс вне автоклава может достигать содержания пустот аэрокосмического класса менее 2% с чрезвычайно быстрым временем цикла и при значительно более низком давлении и более низких затратах на рабочую силу, чем многие альтернативные системы производства в автоклаве, использующие многие типичные препреги, квалифицированные для автоклавирования. Система QuickStep Out of Autoclave уникальна тем, что она использует полностью погруженное сбалансированное давление отверждения жидкости и позволяет пользователю останавливать реакцию отверждения композита в любой точке цикла отверждения и, таким образом, может остановить обработку всего или части ламината и либо вернуться к нему позже для завершения отверждения, либо для совместного отверждения, соединения и связывания с ним других композитов для создания более крупных деталей.
Использование жидкости для контроля температуры, в отличие от газа, обычно используемого в таких методах, как отверждение в автоклаве и печи, обеспечивает более низкое потребление энергии , более короткое время цикла и чрезвычайно точный контроль температуры детали.
Другой метод вне автоклава для достижения внешнего сжатия на композитных деталях на основе препрега заключается в использовании термоусадочной ленты. Однако этот метод не обеспечивает высокого качества процессов RTM или автоклава, поскольку без автоклава или закрытой формы деталь должна быть отверждена в печи без давления. Эти компрессионные ленты обычно изготавливаются из полиэфирной (ПЭТ) пленки. Термоусадочная лента наносится на композитную деталь до нагрева или цикла отверждения. При нагревании лента будет усаживаться в линейном (машинном) направлении. Термоусадочная лента лучше всего работает на деталях, имеющих цилиндрическое или полукруглое поперечное сечение, поскольку это позволяет ленте оказывать равномерное усилие уплотнения на поверхность детали. Примерами могут служить композитные трубы для аэрокосмической промышленности, ветроэнергетики, потребительских спортивных товаров и т. д. Термоусадочная лента позволяет обрабатывать эти детали без необходимости отверждения под воздействием тепла и давления автоклава.