Горячее прессование композитов: особенности технологии и преимущества

Однако свойства готовой детали зависят не только от состава материала, но и от технологии её производства.

Одним из востребованных способов серийного изготовления композитных изделий является горячее прессование. Метод сочетает воздействие температуры и давления и позволяет получать детали со стабильной геометрией, высокой повторяемостью характеристик и хорошим качеством поверхности.

На производственной площадке «ПМ-Композит» горячее прессование входит в число основных технологий переработки композиционных материалов наряду с RTM, вакуумной инфузией, контактным формованием, пултрузией и полимербетонным литьём.

Что такое горячее прессование композитов

Горячее прессование, или компрессионное формование, — это технология, при которой подготовленный композитный материал помещается в нагретую пресс-форму. После закрытия формы к материалу прикладывается давление. Под воздействием температуры и усилия материал заполняет рабочую полость, принимает требуемую геометрию и консолидируется или отверждается в зависимости от типа полимерной матрицы.

Для технологии могут применяться различные исходные материалы, в том числе формовочные композиции SMC, BMC и другие системы на основе полимерной матрицы и армирующего наполнителя. «ПМ-Композит» использует горячее прессование для изготовления изделий из композиционных материалов и располагает автоматизированными прессовыми линиями.

Главная особенность метода заключается в одновременном контроле нескольких параметров:

• температуры формы;
• давления прессования;
• количества и расположения исходного материала;
• времени выдержки;
• скорости закрытия пресс-формы;
• режима охлаждения и извлечения детали.

Правильное сочетание этих параметров непосредственно влияет на качество готового изделия.

Как проходит процесс горячего прессования

Технологический цикл состоит из нескольких последовательных этапов.

1. Подготовка сырья

Сначала определяется необходимое количество формовочного материала. Заготовку рассчитывают таким образом, чтобы после закрытия пресс-формы материал мог заполнить предусмотренный объём без критического недостатка или чрезмерного избытка.

На этом этапе также учитываются состав композиции, содержание армирующего наполнителя и требования к будущей детали.

2. Загрузка материала в форму

Подготовленная заготовка помещается в открытую нагретую пресс-форму.

Для серийного производства большое значение имеет точность позиционирования материала. От его расположения может зависеть характер течения композиции внутри формы, распределение волокон и стабильность характеристик изделия.

3. Закрытие пресс-формы

После загрузки пресс закрывается и создаёт необходимое усилие. Под воздействием давления и температуры композиция перераспределяется по рабочей полости и формирует заданную геометрию.

При работе с термореактивными системами нагрев также запускает и ускоряет процесс отверждения полимерной матрицы. Syensqo описывает горячее компрессионное формование как процесс, при котором материал помещается в нагретую форму, после чего давление и температура поддерживаются до завершения отверждения.

4. Выдержка

Форма остаётся закрытой определённое технологическим процессом время.

Продолжительность этапа зависит от материала, толщины детали, температуры, давления и требуемой степени отверждения или консолидации. Исследования горячего компрессионного формования показывают, что температурно-временной режим и давление способны заметно влиять на структуру и механические характеристики получаемого композита.

5. Извлечение изделия

После завершения формования пресс открывается, а готовая деталь извлекается из оснастки. Далее при необходимости выполняются контроль, удаление технологического облоя, механическая обработка или другие финишные операции.

Какие материалы подходят для горячего прессования

Технология применяется для различных полимерных композиционных систем.

Одним из наиболее распространённых вариантов являются SMC-композиции — листовые формовочные материалы, содержащие полимерную матрицу, армирующее волокно и функциональные добавки.

Также могут использоваться:

• BMC — объёмные формовочные композиции;
• DMC — тестообразные формовочные композиции;
• термопластичные армированные материалы;
• композиции со стеклянным, углеродным или другим наполнителем.

Состав материала выбирается исходя из требований к изделию: механической прочности, массы, электрических характеристик, химической стойкости, теплостойкости и условий эксплуатации.

Основные преимущества горячего прессования

Высокая повторяемость изделий

Одно из главных преимуществ технологии — возможность получать большое количество деталей с одинаковой геометрией.

Форма определяет размеры и конфигурацию изделия, а автоматизированный технологический цикл позволяет точно повторять основные производственные параметры.

Это особенно важно при серийном и крупносерийном производстве.

Высокая производительность

После настройки пресс-формы и режимов один технологический цикл включает загрузку материала, прессование, выдержку и извлечение готового изделия.

Метод хорошо подходит для автоматизации. На площадке «ПМ-Композит» прессовые линии оснащены механизмами автоматизированной загрузки сырья и выгрузки готовых изделий с применением промышленных роботов-манипуляторов.

Автоматизация уменьшает количество ручных операций и позволяет поддерживать стабильность серийного производства.

Точная геометрия

При формовании материал находится внутри закрытой оснастки под давлением. Благодаря этому можно получать детали с высокой повторяемостью размеров и достаточно сложной пространственной формой.

На сайте «ПМ-Композит» высокая геометрическая точность указана как одна из характеристик изделий, получаемых методом горячего прессования.

При правильном проектировании изделия технология также позволяет уменьшить количество последующих механических операций.

Хорошее качество поверхности

Поверхность детали формируется непосредственно рабочей поверхностью пресс-формы. Поэтому при качественной оснастке изделие может иметь ровную и стабильную внешнюю поверхность сразу после формования.

Для продукции, к которой предъявляются требования не только по механическим свойствам, но и по внешнему виду, это становится дополнительным преимуществом.

Возможность изготовления сложных изделий

Горячее прессование позволяет формировать:

• рёбра жёсткости;
• изгибы;
• углубления;
• выступы;
• посадочные зоны;
• технологические элементы;
• различную толщину отдельных участков детали.

Часть функций, для которых при использовании металла потребовалось бы несколько отдельных деталей, в композитном изделии потенциально можно объединить в одной формованной конструкции.

Это помогает уменьшать количество последующей сборки и соединительных операций.

Высокая удельная прочность

Использование армирующих наполнителей позволяет создавать детали, сочетающие небольшой собственный вес и высокие механические характеристики.

Именно поэтому композиционные материалы применяются там, где важно уменьшить массу конструкции без пропорционального снижения прочности и жёсткости.

Конкретные показатели при этом зависят от типа матрицы, наполнителя, его содержания, ориентации армирования и технологии изготовления.

Возможность задавать специальные свойства

Изменяя состав композиции, можно проектировать материал под конкретные условия эксплуатации.

Например, изделию могут потребоваться:

• повышенная механическая прочность;
• устойчивость к агрессивным средам;
• электроизоляционные характеристики;
• небольшой вес;
• определённая жёсткость;
• стабильность размеров.

«ПМ-Композит» отмечает возможность использовать при горячем прессовании разные материалы и их сочетания для получения необходимых физико-механических характеристик продукции.

Экономическая эффективность серийного производства

Изготовление пресс-формы требует первоначальных вложений, поэтому горячее прессование особенно эффективно, когда необходимо выпускать изделия серийно.

С увеличением тиража затраты на технологическую оснастку распределяются на большее количество продукции.

Автоматизация дополнительно позволяет снизить долю ручного труда и сделать время производственного цикла более предсказуемым.

Поэтому горячее прессование особенно интересно предприятиям, которым необходимо регулярно получать сотни или тысячи одинаковых композитных деталей.

Что необходимо учитывать при проектировании изделия

Эффективность технологии во многом определяется ещё на стадии конструирования.

Необходимо заранее учитывать:

• геометрию детали. Конструкция должна обеспечивать нормальное заполнение формы и возможность извлечения изделия;
• толщину стенок. Резкие изменения толщины могут влиять на течение материала и стабильность формования;
• расположение армирования. Направление и распределение волокон определяют механические характеристики композита;
• формовочные уклоны. Они помогают безопасно извлекать готовое изделие из оснастки;
• серийность производства. Чем выше планируемый тираж, тем легче экономически оправдать создание специализированной пресс-формы;
• условия эксплуатации. Температура, механические нагрузки, влажность и контакт с агрессивными веществами должны учитываться при выборе рецептуры материала.

Поэтому разработка композитного изделия должна включать совместную работу конструкторов и технологов.

Оборудование для горячего прессования на «ПМ-Композит»

Производственная площадка предприятия оснащена двумя гидравлическими прессами Siempelkamp с усилием до 1000 и 1500 тонн. Также на предприятии используются промышленные роботы KUKA, раскроечное оборудование и смесительно-дозирующие системы.

Кроме производственного оборудования компания располагает собственным конструкторско-технологическим подразделением и лабораторным комплексом. Специалисты предприятия занимаются разработкой технических заданий и 3D-моделей, изготовлением прототипов, испытаниями и подготовкой документации для последующего серийного выпуска.

Такой подход важен именно для композитных изделий: технология производства, геометрия детали и состав материала должны рассматриваться как единая система.

Когда стоит выбрать горячее прессование

Технология особенно целесообразна, когда необходимо:

• организовать серийный выпуск продукции;
• обеспечить высокую повторяемость размеров;
• уменьшить массу изделия;
• получить прочную композитную конструкцию;
• автоматизировать производство;
• сократить количество последующих операций;
• выпускать детали со стабильными физико-механическими характеристиками.

Для единичных крупногабаритных изделий более подходящими могут оказаться другие технологии — например, вакуумная инфузия или контактное формование. Поэтому оптимальный производственный метод выбирается с учётом размеров, геометрии изделия, материала, необходимых характеристик и планируемого тиража.

Итог

Горячее прессование композитов — эффективная технология для серийного производства прочных, лёгких и геометрически стабильных деталей. Сочетание нагрева, контролируемого давления и специализированной пресс-формы позволяет получать изделия с высокой повторяемостью и автоматизировать значительную часть производственного процесса.

Наибольший эффект технология даёт тогда, когда конструкция изделия, рецептура композита и параметры формования разрабатываются совместно. Это позволяет не просто заменить металлическую или пластиковую деталь композитной, а использовать преимущества композиционных материалов уже на этапе проектирования.

Производственные мощности, прессовое оборудование, роботизация, собственная лаборатория и конструкторско-технологическая служба «ПМ-Композит» позволяют пройти путь от разработки изделия и прототипа до запуска серийного производства.