На платформе edunano.ru в рамках «Открытого лектория» состоялся вебинар «Технологии формования и применения изделий из композитных материалов на примере современных болидов».

О композитных материалах и основных технологиях их производства, об особенностях контактного формования и вакуумной инфузии, о возможностях применения данных технологий для современных болидов, а также о студенческих инженерных соревнованиях Формула Студент и достижениях инжерно-гоночной команды Белгородского Государственного Технологического университета им. В.Г. Шухова, рассказал аспирант БГТУ им. В.Г Шухова Игорь Мартаков. Игорь участвовал в создании болидов Stingray и Hyperboloid 1 команды Shukhov Racing Team и в соревнованиях FS Russia 2015, FS Italy 2016.

Представляем краткий материал по итогам вебинара. Видеозапись доступна по ссылке.

Современные ткани

Самыми известными являются углеродная ткань или карбон. Основная составляющая часть — это нити углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0,005-0,010 мм в диаметре). Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.). При использовании углеродных, стеклянных, арамидных волокон, содержащихся в материале в количестве 50-70%, создаются композиции с ударной прочностью и ударным модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композитные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам.

Применение композиционных материалов

Из композитных материалов создаются многие товары народного потребления: предметы интерьера, детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, детали ЭВМ и многое другое. В автомобилестроении карбон (или углепластик) используется для производства как отдельных деталей и узлов, так и для автомобильных корпусов целиком. Высокое отношение прочности к весу позволяет создавать безопасные, и в то же время экономичные автомобили: снижение веса автомобиля за счет углепластиков на 30 % позволяет снизить выброс CO2 в атмосферу на 16%, благодаря снижению расхода топлива в несколько раз. Еще углеродные материалы применяются в авиации для создания цельных композитных деталей.

Formula Student и SHUKHOV RACING TEAM

Формула Студент – это студенческие инженерные соревнования, появившиеся в 1978 году, благодаря Марку Маршеку. В таких соревнованиях участвует инженерно-гоночная команда БелГТУ им. В.Г. Шухова «SHUKHOV RACING TEAM», которая была создана для популяризации инженерного образования и развития творческого потенциала в молодежной среде. По замыслу соревнований команда студентов университета является инженерной компанией, которая должна разработать, построить, испытать прототип автомобиля формульного класса для рынка непрофессиональных гоночных автомобилей. Команда должна предоставить всю конструкторскую документацию на проект и доказать, что применяемые технические решения являются оптимальными. В итоге они должны “продать” свой автомобиль, поэтому в дополнение разрабатывается бизнес-план на мелкосерийное производство своих автомобилей.

Основным примером работы с композитами в командах Formula Student является создание корпусов болидов, перегородок, сидений. Также изготавливают рычаги, поворотные кулаки и антикрылья. Всё это позволяет облегчить болид, например, корпус болида этого сезона весит уже 4 килограмма (первый болид весил 20 килограмм). Этого удалось достичь, применяя метод вакуумной инфузии и углеродное волокно различного плетения.

Технологии формования

В зависимости от того, какого рода материал необходимо получить, существует несколько основных технологий производства композитных материалов: ручное (оно же контактное) формование, вакуумирование, вакуумная инфузия, автоклавное формование препрега. Процесс формования матрицы состоит из 4-х этапов: подготовка формы, нанесение матричного гелькоута, армирование нанесенного гелькоута стекломатом, пропитанным смолой и финишная обработка.

Ручное (контактное) формование

На рабочую поверхность матрицы, где будет укладываться ткань, сначала наносится разделительный состав. Затем выкладывается ткань и далее каждый слой вручную пропитывается смешанной с отвердителем смолой. При контактном формовании деталей и матриц выгоднее всего использовать полиэфирную смолу, но с соблюдением соответствующих мер безопасности. В формульных проектах такой метод создания деталей используется только в начинающих командах, поскольку сырье и технология легкодоступны.

Ламинация и вакуумирование

Рабочая поверхность матрицы покрывается разделительным составом, далее в матрицу или сверху детали выкладывается ткань, затем она вручную пропитывается смолой и помещается в вакуумный мешок. Вакуумный насос поддерживает состояние вакуума в мешке в течении длительного времени, около 4 часов. И при этой технологии нужны специальные смолы, поскольку некоторые серии полиэфирной смолы не твердеют без кислорода. После затвердевания смолы снимается деталь и готовится к финальной обработке. Обрезается деталь по контуру, высверливаются отверстия.

Вакуумная инфузия

Процесс начинается с укладки ткани в матрицу, без пропитки ткани смолой. Далее укладывается слой так называемой жертвенной ткани (от трубки до трубки) и проводящая сетка (от трубки подачи связующего до конца детали). Далее укладываются специальные спиральные трубки для подачи смолы и отвода воздуха. После укладки трубок, по контуру герметизирующего жгута приклеивается вакуумная пленка. После укладки и проверки герметичности, трубка подачи смолы перекрывается и запускается вакуумный насос. Далее готовится смесь смолы и отвердителя, в емкость с готовой смолой опускается и открывается трубка подачи смолы. После достижения смолой края проводящей сетки, трубка подачи смолы снова перекрывается. Деталь остается под вакуумом на несколько часов, пока смола хотя бы частично не застынет. Рекомендуется сделать или купить вакуумную ловушку. После застывания, пакет разрезается, вакуумную пленку и спиральные трубки можно использовать повторно.

Автоклавное формование препрега

Для достижения максимальных значений характеристик прочности и жёсткости применяют автоклавное формование. Заготовку изделия на оснастке, полученную из пропитанного связующим волокнистого материала (препрега и др.), помещают в герметичный вакуумный мешок, размещают в автоклаве, подключают к вакуумной линии и датчику уровня вакуума. В первую очередь автоклавное формование применяют для изготовления деталей из препрега. Любые детали, изготовленные в автоклаве, имеют более высокое качество поверхности, меньшую пористость и повышенные значения механических характеристик, механические свойства, более равноценные по всему объёму изделия.

Сам процесс формования изделий схож с вакуумной инфузией, с той лишь разницей, что используются специальные, пропитанные на заводах ткани-препреги. Препрег укладывается в металлическую матрицу и специальный герметизирующий жгут, поскольку только они выдержат условия внутри автоклава. Сверху препрега укладывается жертвенная ткань, перфорированная пленка, впитывающий слой и вакуумная пленка. Трубок подачи смолы и отвода вакуума здесь нет. Вакуум создается за счет специальных штуцеров, помещаемых в центре изделия и подключаемых к вакуумному насосу.

Таким методом в командах проекта Formula Student изготавливают монококи. Первой российской командой, сделавшей монокок была команда университета МАДИ, Москва. Моноко́к— тип пространственной конструкции, в которой (в отличие от рамных конструкций других формульных команд) внешняя оболочка является основным и, как правило, единственным несущим элементом. Однако не многие команды мира создают свои болиды по типу монококов, поскольку это очень сложная и дорогостоящая технологическая операция.

Со всеми материалами проекта Открытый Лекторий можно ознакомиться здесь.