Изготовление футбольных щитков из полимерных композиционных материалов методом вакуумной инфузии. научная публикация Сенотова М.В.. 6203 изготовление футбольных щитков из композиционных материалов методом вакуумной инфузии
 Скачать 0.8 Mb.
|
|
62-03 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФУТБОЛЬНЫХ ЩИТКОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ВАКУУМНОЙ ИНФУЗИИ Сенотова М.В. ritasenotova@gmail.com Научный руководитель: Н.В. Левшонков, доцент кафедры конструкций и проектирования летательных аппаратов, к. т. н. (Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева – КАИ, г. Казань) В данной работе изложены общие вопросы технологического процесса изготовления футбольных щитков из углепластика путем вакуумной инфузии. Целью работы является рассмотрение возможности расширения номенклатуры применяемых композитных материалов. Планируется внедрение полученного результата для изготовления изделий массового потребления. Показана последовательность технологических операций для изготовления футбольных щитков. Произведена сравнительная характеристика щитков из углепластика и полиуретана. Одним из перспективных технологических процессов, позволяющим обеспечить более высокое качество изделий, является применение технологий пропитки армирующего наполнителя под вакуумом – «инфузия». При этом возможно исключение из технологического цикла такого дорогостоящего оборудования как автоклав. При традиционном автоклавном формовании конструкция выкладывается из препрега, а затем помещается в автоклав, где под заданными температурой и давлением происходит отверждение связующего. В свою очередь, безавтоклавные технологии подразумевают сборку конструкций из сухого материала с пропиткой под вакуумом связующим. Применение этих технологий расширяет возможности по созданию более совершенной конструкции, дает повышение технологичности, качества, резкое снижение трудоемкости цикла и затрат, в том числе на приобретение дорогостоящего оборудования [1]. Метод инфузии заключается в том, что связующее под действием вакуума подается в оснастку, в которой находятся слои сухого углеродного наполнителя, пропитывает их, вытесняя по мере заполнения формы оставшийся воздух. По окончании процесса пропитки оснастка нагревается и происходит процесс полимеризации связующего по заданному режиму. Стоит отметить, что с широкое изучение углеродных волокон и углепластиков, а также в целом структуры и свойств композитных материалов создаёт условия для усовершенствования технологий создания углеродных волокон, а также улучшения их свойств, что в целом положительно сказывается не только на повышении качества и уменьшения стоимости производства углепластика, но и других композиционных материалов. Также это положительно сказывается на внедрении таких материалов и в другие области применения, расширяя нишу востребованности обществом и промышленности в подобных материалах. По мнению специалистов КНИТУ-КАИ активное внедрение композитных материалов началось ещё в 2004 году, но в наше время потенциал этих материалов используется не в полной мере [2]. Необходимо расширять область применения, использовать композитные материалы не только в промышленности, но и в повседневной жизни, например, в спорте. В футболе для защиты большеберцовой кости используются щитки, их изготавливают из микропористой резины, полиуретана, пластика, реже стекловолокна. Исходя из геометрии изделия, его конструктивных и эксплуатационных особенностей, предлагается изготовить футбольные щитки из композитного материала самым доступным способом – методом вакуумной инфузии. Для изготовления изделия путём вакуумной инфузии, в данном случае щитков, необходимо сперва подготовить матрицу. Была использована многоразовая матрица из МДФ (рисунок 1). Рабочая поверхность матрицы получена с помощью фрезерного станка с ЧПУ и обработана. Следует отметить, что такие матрицы быстро изнашиваются и становятся непригодными для изготовления изделий, чаще предпочтение отдается оснасткам из композитов или модельного пластика. Нерабочие поверхности матрицы также подлежат зачистке, чтобы не порвался вакуумный мешок. Это необходимо делать, ибо на матрице могла остаться смола с предыдущего использования. Далее рабочая поверхность матрицы обрабатывается полиролью для того, чтобы изделие имело глянцевую внешнюю поверхность. Для беспроблемного извлечения изделия из матрицы необходимо покрыть её пятью слоями разделительной жидкости, которые нужно наносить с периодичностью в пять минут. Также важно покрывать торцы, ибо при извлечении могут возникнуть затруднения. Рис.1. Матрица из МДФ После подготовки матрицы начинается выкладка армирующего материала - углеродной ткани. Для некоторых изделий следует выкладывать небольшими кусками для предотвращения образования пустот в углах и скруглениях. Выбрана следующая схема выкладки - 2 слоя углеткани, далее обрезки и нитки, и поверх них ещё слой ткани (рисунок 2). Поверх углеткани выкладывается жертвенный слой (рисунок 3), он необходим во избежание прилипания армирующего материала к пленке. Далее выкладывается сетка пропитки (рисунок 4), которая помогает ускоренному распределению смолы в нужные области. Рис.2. Выкладка углеродной ткани Рис.3. Жертвенный слой Рис.4. Сетка пропитки На этапе установки герметизирующего мешка используются полиэтиленовые и силиконовые трубки, L- и T-образные переходники, необходимые для откачки воздуха и подачи эпоксидной смолы. С помощью вакуумной пленки и герметизирующего жгута собирается вакуумный мешок (рисунок 5), который подключается к вакуумному насосу и проверяется на герметичность с помощью вакуумметра (рисунок 6). Рис.5. Вакуумный мешок Рис.6. Вакуумметр После подтверждения герметичности конструкции (рисунок 7), начинается процесс пропитки. Следует обратить внимание на исключение попадания в трубку воздуха. Следует дождаться пропитки всего изделия, что можно определить визуально - при намокании жертвенный слой становится более прозрачным, что можно увидеть черную углеткань (рисунок 8). После окончания пропитки надеваются зажимы на трубки, далее отключается насос. Данная конструкция помещается в разогретую до 60℃ печь на полтора часа. Рис.8. Вакуум Рис.9. Пропитка После истечения установленного времени отверждения открывается вакуумный мешок (рисунок 10), удаляется жертвенный слой, изделие извлекается из матрицы (рисунок 11). Далее изделие подвергается обрезке и очистке, а также при необходимости покрывается лаком (рисунок 12). Рис.10. Вскрытие мешка Рис.11. Извлечение из матрицы Рис.12. Готовое изделие Таким образом, технологичность изделия можно оценить как умеренно высокую, а трудоемкость процесса изготовления футбольных щитков как среднюю. Недостатками, которые могут увеличить продолжительность и трудоемкость процесса изготовления, является использование большого перечня вспомогательных материалов, что делает изделие дорогостоящим. Футбольные щитки для профессиональной игры в большинстве своем изготавливаются из полиуретана. Углепластик превосходит полиуретан по многим физическим характеристикам (таблица 1), но изделия из композитных материалов дороже, потому что процесс изготовления более трудоёмкий, и себестоимость материалов выше. Осуществив грубый подсчет себестоимости щитков из углепластика (таблица 2), получено 3723,2 руб. без учета оплаты труда. Следует что, купить щитки из углепластика можно будет не меньше, чем за 5000 рублей. Таблица 1. Материал Плотность, кг/м 3 Прочность при растяжении, МПа Теплостойкость, ℃ Модуль Юнга, ГПа Цена, руб. Углепластик 1450-1600 780-1800 600 120 ≤5000 Полиуретан 1180 35 60 1,8 800-1200 Таблица 2. Материал Цена Расход Стоимость, руб Углеродная ткань 3К- 1000-200 1643 руб. за м 2 0,4 м 2 657,2 Связующее эпоксидное 5365 руб. за кг 0,2 кг 1073 Трубка полиэтиленовая 3300 руб. за рул. (25 м) 2 м 264 Трубка полиэтиленовая спиральная 5400 руб. за рул. (25 м) 1 м 216 Переходник Т- образный 138 руб. за шт 1 шт 138 Переходник L- образный 126 руб. за шт 1 шт 252 Вакуумная пленка 81780 руб. за рул. (1000’=304,8 м) 1 м 269 Герметизирующий жгут 546 руб. за шт. (7,62 м) 4 м 287 Разделительная жидкость 14280 руб. за банку (5 л) 0,1 л 286 Жертвенный слой 93600 руб. за рул. (100 м) 0,3 м 281 ИТОГО 3723,2 Исходя из расчетов, экономически не выгодно использовать щитки из углепластика, но в других сферах деятельности физические характеристики приоритетнее, чем высокая стоимость. В ходе данного исследования был рассмотрен вопрос расширения области применения композитных материалов на примере футбольных щитков. Данное изделие по физическим характеристикам превосходит нынешний аналог, но стоимость не позволит получить широкое распространение. Также было рассмотрено превосходство метода вакуумной инфузии над автоклавной формовкой. Вакуумная инфузия позволяет получить изделия более высокого качества. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Халиулин, В.И. Технология производства изделий из композитов: технология интегральных конструкций : учеб. пособие / В. И. Халиулин, В. В. Батраков ; Мин-во образ-я и науки РФ, ФГБОУ ВО КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева. - Казань: КНИТУ-КАИ, 2018. С. 87-93 2. Халиулин, В.И. Технология производства композитных изделий: учеб. пособие для студ. вузов / В.И. Халиулин, И.И. Шапаев; Мин-во образ-я и науки РФ; КГТУ им. А.Н. Туполева. - Казань: Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2004. С. 37. PRODUCTION OF FOOTBALL SHIELDS FROM COMPOSITE MATERIALS BY VACUUM INFUSION Senotova Margarita Vyacheslavovna ritasenotova@gmail.ru Supervisor: Levshonkov Nikita Viktorovich, Ph.D (Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev – KAI, Kazan, Russia) This article describes the general issues of the technological process of manufacturing football shields made of carbon fiber by vacuum infusion. The purpose of the work is to consider the possibility of expanding the range of composite materials used. |