Наше пространство само по себе трехмерное, в повседневной жизни мы говорим о длине, ширине и высоте объектов. С развитием науки вводится все больше технологий и явлений 3D-структуры: графика, моделирование, печать… Теперь к ним присоединилось и 3D-ткачество преформ для композитов в сфере промышленности.
Что за зверь композит?
Композиты или композитные (композиционные) материалы окружают нас повсеместно, даже если на первый взгляд нам так не кажется. Композитный материал (далее КМ) – это материал, являющийся продуктом сочетания нескольких различных по химико-физическим показателям компонентов, которые образуют новый материал с отличными характеристиками от свойств компонентов по отдельности. Обычно компоненты делят на две части: матрицу и наполнитель. Наполнители исполняют ту же роль, что и арматура в бетоне. Изменением соотношения матрицы к наполнителю добиваются необходимых свойств композита. Самым же распространенным материалом для матрицы обычно выступают полимеры, тогда мы говорим о полимерных композиционных материалах (далее – ПКМ).
Композиты нашли свое место в промышленности, когда возникла необходимость в материалах с противоречивыми характеристиками. Высокие показатели прочности, долговечности сочетаются со стремлениями к минимизации веса, устойчивости различного типа агрессивным средам и т.д.
Они способны замещать основные конструкционные материалы – алюминий, сталь, титан – в спорте, авиастроении, космонавтике и других сферах. Несмотря на свои очевидные преимущества, доля рынка российской промышленности композитных материалов по данным Министерства промышленности и торговли занимает чуть более 1% мирового уровня по состоянию на 2020 год.
История композиционных материалов уходит вглубь веков. Знаниями о них с человеком поделилась природа. Гончарные изделия с измельченными камнями, различного рода органикой и глиной в роли матрицы изготавливались в 5000 годах до н.э., путем обжига с целью предотвращения усадки и растрескивания. Армирование появилось в древней цивилизации Вавилон с 4000 годов до н.э. с использованием битумной смолы. Она, и материалы на ее основе в 3000 годах до н.э. позволили претворить в жизнь крупномасштабное судостроение. Тростник пропитывался битумом и использовался как материал для речных судов Египта и Месопотамии. Всем известные египетские фараоны, их гробницы и тела также имеют связь с КМ. Сегодня корпуса двигателей ракет, емкости, трубы изготавливаются методом схожим на один из этапов процесса мумификации тел египетских царей прошлого, а именно обмотку тел просмоленными лентами. Неожиданно, правда?
Благодаря смоле ленты, которые мы сегодня видим на мумиях, после пропитки образовывали жесткие защитные оболочки. Кстати, композиционные материалы используются при изготовлении специализированной защитной одежды и бронежилетов. До 500 годов н.э. в разных частях земного шара появлялись новые виды КМ и сферы применения. В дальнейшем человечество сосредоточилось на улучшении техник изготовления и поиске малозатратных способов работы. Сегодняшняя промышленность наоборот вернулась к поиску все новых и новых комбинаций.
Композитные материалы бывают природного и искусственного происхождения, при упоминании данного термина обычно подразумевается именно второе.
Для четкого разделения был определен ряд признаков искусственных композитов: соотношение компонентов, состав определяются заранее, компоненты обладают четко выраженной границей и отличаются друг от друга химическим составом, обязательно создан человеком, каждый компонент влияет на свойства материала иные от их свойств по отдельности, в микромасштабе проявляется неоднородность, тогда как в макро – однороден.
Объединяя в себе металлы, полимеры, КМ считаются широким классом материалов, что вызывает определенные трудности в утверждении систематизированной классификации. Поэтому существует множество принципов классификации, самым популярным из которых является материаловедческий принцип. Он основан на материале матрицы и выделяет металлические, полимерные и керамические композиционные материалы. В случае, когда матрица состоит из двух и более материалов выделяют полиматричные КМ. Композиционные материалы могут использоваться в промышленности также дополняя свойства друг друга, путем образования поливолокнистых или гибридных полимерных материалов. Сочетание с металлом для объединения его положительных характеристик и свойств полимеров получило название супергибридных или металлополимерных материалов.
Основой классификации также могут являться геометрия армирующих элементов (вид наполнителя – пластины, порошки, волокна), схема армирования (хаотичность или упорядоченность волокон, ориентация, тип), способы получения и т.д.
Технология 3D-ткачества
Наполнители изготавливают различными способами: выкладка слоев с клеевым скреплением, плетение, намотка, укладка волокна, сбор преформы путем прошивания отдельных частей и др. Армирующая преформа – это силовой скелет, соответствующий размерам и форме будущего изделия. Помимо известных ранее способов в промышленности появляются и другие, более лучшие по показателям методы создания преформ. Такой считается относительно неизвестная, новая технология изготовления объемных преформ для создания полимерно-композитных материалов под названием 3D-ткачество – метод, который позволяет получить за одну конечную технологическую операцию текстильную преформу.
Преформа по форме схожа с будущей деталью либо ее части, обладающая схемой армирования. Армирование – термин широко используемый в строительстве обозначает процедуры усиления конструкций или материалов. Большую ценность представляют собой непрерывно армированные полимерные композиционные материалы, позволяющие изготавливать изделия сложной, уникальной конструкции. Трехмерное армирование обеспечивает непрерывность по всей преформе, благодаря чему нагрузка распределяется по всему изделию; в местах пересечения ребер, нахождения узлов уменьшается влияние на прочность конструкции. Достоинством метода 3D-ткачества является отсутствие этапа так называемой укладки слоев, что отметает необходимость сборки готовых частей. «Слоеные» композиты часто не выдерживают следующие типы деформации: межслоевой сдвиг и расслоение. Представьте стопку книг на наклонной поверхности, они ведь начинают сдвигаться, съезжая друг с друга. Представили? Давайте теперь вообразим себе несколько листов ПКМ склеенных каким-нибудь полимером. Например, в одном месте было мало вещества, выступающего в роли матрицы, со временем эти слои (листы) начинают отходить друг от друга, а площадь «несоприкосновения» постепенно увеличивается. Вот мы и получили расслоение. В методе же 3D-ткачества каждый слой преформы соединен с соседним благодаря сквозному прохождению нитей перпендикулярной ей системы и соединению плоскостей уточной нитью. Сам процесс переплетения нитей друг с другом основан на так называемом зевообразовательном механизме. Системы нитей образуют зев – пространство между двумя плоскостями нитей. В зев с помощью челнока, рапир или воздуха вставляется уточная нить (нить, проходящая поперечно от одной стороны машины к другой), которая затем прибивается специальным механизмом станков.
В процессе ткачества самыми распространенными структурами переплетений 3D-тканых изделий выступают ортогональное, интерлочное и многослойное плетения. Многослойное переплетение, как понятно из названия, состоит из нескольких слоев с собственными основными и уточными нитями. Слои соединяются при помощи внешних наборов нитей, имеющимися нитями («самосшивание») или посредством ткачества. Интерлочное переплетение может быть направлено по толщине либо от слоя к слою. В случае толщины основная нить проходит от одной поверхности ткани к другой, удерживая в итоге все слои. Переплетение с интерлоком от слоя к слою получается благодаря движению основы от одного слоя к соседнему с обратным возвращением.
Основным типом переплетения нитей для создания армирующих материалов является ортогональное. Переплетение получается путем перемежения от двух и более слоев прямых волокон, которые укладываются в параллельных плоскостях и связываются прохождением нитей по всей толщине материала.
В случае рассмотрения данных систем нитей как систему декартовых координат в пространстве получится трехмерная взаимно-перпендикулярная XYZ. Х выполняет роль основной системы (продольные волокна, находящиеся параллельно плоскости преформы по длине), Y – поперечная система (уточные, нить челнока, параллельная по ширине), Z – прошивающие волокна (перпендикулярные преформе, нити по высоте преформы).
Когда говорят о 3D-ткачестве, упоминается термин объемно-армирующая преформа. Тем не менее, 3D не обязательно означает трехмерную систему координат, иными словами три системы нитей. Подразумевается лишь, что изделие имеет объем и может быть не только три, но и большее количество систем нитей.
Армирующее сырье
Преформы изготавливаются из различных типов армирующего материала. Производственным сырьем в 3D-ткачестве выступают в основном различные волокна в зависимости от конечных целей применения композита: стекло-, угле-, базальтоволокна, кварцевое волокно, арамид, и др. Стекловолокном называют нити, формируемые из стекла, которые не бьются и не ломаются как стекло, а способны гнуться без разрушения самого материала. В промышленности стекловолокно получают продавливанием расплавленного стекла специального химического состава через формующее отверстие (фильеры).
Нити, образованные из атомов углерода, которые объединены в кристаллы и выровнены параллельно относительно друг друга, носят название углеродного волокна. Оно обладает высокой прочностью к растяжению, малым весом, химической инертностью и почти не расширяется при высоких температурах. Как и любые другие химические волокна, они получаются в виде филаментов – бесконечных элементарных волокон, которые в больших количествах вместе образуют пучок нитей в несколько тысяч сложений. В зависимости от необходимой толщины пучка могут доходить, к примеру, до 24 тысяч отдельных филаментов.
Арамидные волокна или ароматический (ароматичность – свойство некоторых химических соединений, кольцо связей которых обладает повышенной стабильностью) полиамид – цепочка синтетического полиамида (пластмассы) с амидными связями, прикрепленными к двум ароматическим кольцам. Арамиды проявляют высокую стойкость к разрушениям при изменениях температуры, трещинам, ударам, огню, наличие же амидных связей демонстрирует энергию диссоциации больше на 20% аналогов, что является хорошим показателем химических свойств сырья, и, говоря простым языком, вызывают затруднения при попытке порвать материал. Еще одним интересным свойством арамидных волокон является стойкость к химическому воздействию большинства растворителей, спиртов, масел и др., в то же время они могут взаимодействовать с солнечным светом. УФ-излучение отрицательно влияет на его механические свойства ускорением процесса деструкции.
Базальтовое волокно получают после обогащения базальта (порода магматического происхождения). Затем плавлением и преобразованием расплава изготавливают волокна. Производство данного волокна сопряжено низким энергоресурсным потреблением, т.к. природа сама заботится о первичном плавлении и подготовке данного сырья.
Глубоко корнями уходит в не столь далекое прошлое история разработки и применения кварца и кварцевых волокон. Наибольший толчок к развитию технологии производства пришелся на период строительства рекордсмена Гиннеса по абсолютно полной автоматизации управления космического корабля «Буран». Авиакосмическая промышленность того времени («Буран» вышел на околоземную орбиту в 1988) нуждалась в материале способном защищать от высоких температур и агрессивных сред. Кварцевое сырье взаимодействует только с ортофосфорной кислотой и водным раствором фтороводорода при температуре 300 градусов по Цельсию. Материал очень легок, легче воды в 7 раз, плотность составляет 0,15 грамм на кубовых сантиметров.
Оставьте пропитаться
Наполнители пропитываются матрицами различными методами, которые подразделяют на две основные группы: применение избыточного давления или разрежения (вакуума). Полное определение матрицы включает в себя непрерывность пространственной фазы, сохраняющей конфигурацию изделия, направление нагрузки на армирующий наполнитель и сопротивление внешним факторам. Перед матрицей КМ стоят задачи обеспечения прочности, жесткости, теплостойкости (первый тип требуемых характеристик), перерабатываемости, технологичности (следующая группа), пластичности, трещиностойкости, ударной вязкости (третий вид свойств). В качестве матриц выступает большое количество различных веществ, сплавов и смол, которые также в свою очередь делятся на три группы. Первая носит название металлической (алюминий, магний, титан и их сплавы, медь, сплавы кобальта и никеля). Далее идут полимерные (термопласты, реактопласты, эластомеры) и керамические (обычная и техническая керамики, керметы – керамические и металлические составляющие).
Изготовленные методом 3D-ткачества наполнители (преформы) обычно проходят через пропитку полимерами (высокомолекулярные соединения) в чистом виде или в качестве связующих – систем из полимера, отвердителей, инициаторов или катализаторов, ускорителей.
Добавлением в связующие компонентов, таких как растворители, красители, стабилизаторы и др. добиваются дополнительных свойств. Композиты, полученные в результате, носят название полимерных, в которых принято выделять типы пластиков по основному назначению. В книге Михайлина Ю.А. «Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике» указаны инертные наполнители, усиливающие (армирующие, повышающие упруго-прочностные свойства) и функциональные (теплофизические, электрические и др. свойства, огнестойкость и т.д.). Сочетание преформы из наиболее часто применяемого углеродного волокна и полимеров в промышленности называется углепластиком. Интересный факт: углеродное волокно может пропитываться и самим углеродом с целью создания особенно термостойкого материала.
В прошлом столетии при создании полимерно-композиционных материалов основными методами пропитки являлись технологии автоклавного отверждения и горячего прессования препрегов (полуфабрикаты КМ). С начала 90-х годов с упрощением сборки армирующих структур (преформ), появлением низковязких связующих и вспомогательных материалов, направленных на удешевление и снижение трудозатрат привело к более частому применению альтернативных технологий. Препрегово-автоклавный методы замещаются трансферными способами формирования, совмещающими пропитку и формование детали. Полная классификация трансферных методов формования приведена в учебном пособии «Технология производства изделий из композитов. Трансферные методы формования» авторства В.В. Батракова, В..И. Халиуллина, Д.Ю. Константинова. Методы пропитки разделяются по определенным характерным признакам: способу преодоления гидравлического сопротивления (вакуум и давление), объекту приложения давления (связующее, наполнитель или их комбинация), способу ускорения пропитки, повышения качества, усовершенствования, контроля и схемам пропитки.
Последние штрихи
При производстве деталей около половины трудоемкости приходится на механическую обработку композита. Готовый, приближенный по форме к будущей детали, пропитанный композит все же нуждается в некоторой шлифовке, доработке своей поверхности. В статье А.Е. Раскутина, А.В. Хрулькова, Р.И. Гирша «Технологические особенности механообработки композиционных материалов при изготовлении деталей конструкций (обзор)» говорится, что ПКМ «чаще всего обрабатывают методами резания, включая раскройные операции, обработку отверстий, контурное фрезерование, фрезерование поверхностей и конструктивных элементов, точение и шлифование тел вращения». Все вышеперечисленное осуществляется через сверление, фрезерование, резку лазером, гидравлическую резку и струйно-абразивную обработку. ПКМ довольно капризные для обработки материалы, т.к. обладают низкой теплопроводностью и теплостойкостью, определенное влияние оказывают и физико-механические свойства. В процессе обработки также учитываются направление и ориентация обработки для сохранения оптимального распределения нагрузки по изделию.
Сфера применения
Сфера применения ПКМ, изготовленных технологией 3D-ткачества, с каждым годом расширяется. Технология нашла место своего применения в крупных отраслях промышленности, таких как авиастроение, автомобилестроение, кораблестроение, ракетно-космическая промышленность, нефтегазовая отрасль. Аэрокосмическую промышленность можно назвать родоначальницей применения ПКМ. Как и другие типы пластиков наиболее часто применяемое сочетание в 3D-ткачестве – углеродные волокна и полимеры – углепластики высоко ценились инженерами, конструкторами и технологами за свои прочность, жесткость и малый вес. Прочностные характеристики окупают затраты на производство углепластика, малый вес позволяет увеличить полезную нагрузку.
Каждый дополнительный килограмм чудо-космических корабликов стоит больших капиталовложений.
Свое признание данный композитный материал получил еще в 70-х гг. прошлого столетия и с тех пор все больше и больше вытесняет популярный в то время достаточно крепкий и легкий материал дюралюминий. Более того, вытесняет даже своих собратьев композитов. В конце 90-х гг. при модернизации ракеты-носителя «Протон» стеклопластик заменили углепластиком, выиграв при этом 1,5 тысячи тонн веса. Авиастроение, пожалуй, самое перспективное направление для развития 3D-тканых преформ и композитах на их основе. Многие из деталей летательных аппаратов являются потенциально заменяемыми ПКМ. Интерес представляют силовые элементы летательных аппаратов, несущие конструкции крыльев – части, поддерживающие работоспособность самолета. Например, в рамках целевой программы «Перспективный авиационный комплекс фронтовой авиации» был построен истребитель пятого поколения СУ-57 с крылом из слоев углепластика и слоя алюминиевых сот, выдержанным в автоклаве. Слоистые композитные материалы имеют свои определенные минусы, которые способны исправить объемно-армированные преформы, которые возможно изготовить 3D-ткачеством.
Автомобилестроение постепенно заменяет кузовные кронштейны (элемент кузовной системы, относящийся к фурнитуре) и профиля, конструкции рамы и элементы подвески, позволяя повысить ударостойкость автомобиля и снизить вес. Транспортные средства с уменьшением веса получают значительные преимущества в плане динамики, снижения времени на разгон, также нуждаются в меньшем количестве топлива.
Данные показатели востребованы в сфере автомобильного спорта: ударостойкость влияет на уровень защиты пилота в кабине (автоспорт изобилует различными авариями и трагедиями во время проведения соревнований), уменьшение веса влияет на технические характеристики.
3D-тканые ПКМ участвуют в кораблестроении как части корпуса, в нефтегазовой сфере применяются в строительстве силовых конструкций и трубопроводов, обеспечивая увеличение срока эксплуатации и повышая надежность конструкций. Это лишь часть отраслей, где возможно применять данные композиты.
Привет, Жаккард! – Привет, КТ!
Сложные преформы возможно соткать при определенных модификациях появившегося еще в далеком 19-ом веке ткацкого станка с машиной Жаккарда. Обычный ткацкий станок был модернизирован ткачом и изобретателем Жозефом Мари Жаккардом с целью создания механизма, способного создавать узоры на ткани. Данный станок считается первым промышленным изобретением с программируемым механизмом работы каждой нити основы. Его конструкция представляет собой довольно сложный механизм. На каждую нить в современной машине Жаккарда выделен свой двигатель, который опускает его, либо поднимает. В момент, когда нить снова должна «вернуться в строй» двигатель перемещает ее, тем самым она вновь включается в работу. Программы записывались на жестяных перфокартах, соединенных последовательно в виде ленты, что давало возможность менять работу станка. Станок относится к первым сложным вычислительным машинам, в котором действия управлялись двоичным кодом – наличие и отсутствие отверстия в перфокарте.
Тем не менее, пусть станок Жаккарда используется и по сей день, прогресс никогда не стоит на месте, появляются и новые станки уже рассчитанные непосредственно для технологии объемного ткачества цельнотканых преформ. Так, например, российское научно-производственное предприятие ООО «Карбонтекс» работает на станке собственной разработки и изготовления КТ-6250 (комплекс ткацкий).
Челночно-рапирный 3D-ткацкий станок КТ-6250 полностью автоматизированный механизм, заправляемый различными типами волокон и работающий в одном, едином технологическом цикле.
Возможности станка позволяют задать схемы армирующих нитей без их повторения, т.е. по длине всего изделия возможно создание различного типа армирования, что позволяет создать изделие с различными характеристиками в определенных частях.
Сам станок состоит из рабочих механизмов и органов. К рабочим механизмам относят следующие его части: рапиры, рама берда, челнок, участвующие непосредственно в процессе ткачества. Шпулярник, распределительная доска, галева и ремизные рамы, бердо относят к органам станка – это части участвующие в распределении нитей для слаженной работы программы.
Каждая отдельная нить, прежде чем стать частью преформы проходит короткий, но довольно сложный путь, именуемый заправкой. Большая «шпулька» с намотанным на него волокном – бобина – устанавливается в свое место на шпулярнике в соответствии с заправочной картой (специальная документация обозначающая расположение бобин). Каждая из бобин расположена на своем собственном месте в шпулярнике – специальном каркасе. Затем каждая отдельная нить проходит через отверстия распределительной доски опять-таки в соответствии со схемой расположения нитей. Свой путь нить продолжает через ремизные рамки, проходя через маленькие ушки, как у иголок, галев. В процессе ткачества ремизные рамки будут двигаться распределяя нити необходимым образом, образуя зев, по которому будет ходить челнок, оставляя нить утка. Прокладывать путь налево-направо челноку позволяют рапиры, которые передают его друг другу. Уток прибивается к преформе специальным механизмом – бердом, сквозь зубья которого проходит ряд нитей галев всех ремизных рамок. Бердо двигается вместе с рамой берда, который приводится в движение двигателем. Способ заправки позволяет менять конфигурацию изделия, геометрическую форму, параметры высоты, ширины. Станок КТ-6250 – ремизно-подъемный программируемый механизм, где на каждую ремизную раму приходится своя группа нитей. Движение ремизок задается по заранее прописанной программе, процесс же ткачества полностью автоматизирован, что позволяет серийно изготавливать ту или иную деталь при необходимости.
Малая доля производства композитов в промышленности по сравнению с мировым уровнем не мешает данной сфере развиваться семимильными шагами. Появление новых технологий, таких как 3D-ткачество лишь ускоряет развитие технической науки композиционные материалы, а дальнейшая работа с композитами в сфере тяжелой промышленности открывает новые перспективы.
Наталия Зайцева, ООО «Карбонтекс»
Фотографии предоставлены компанией
