SMC і BMC композити в промислової конструкторської області

Протягом останніх кількох десятків років зайняли провідне місце в авіакосмічній, транспортній, в тому числі автомобільної, електротехнічної та багатьох інших видах промислової діяльності. Склопластик і його з’єднання з вуглеводнями уможливлюють реалізацію виробів, що відповідають високим вимогам до механічних навантажень і термостійкості, причому це можуть бути і великогабаритні деталі і елементи.

Сьогодні поширене використання таких технологічних процесів, як ламінування вручну з використанням формовки створення низького або, навпаки, високого тиску (вакуумна або автоклавна установки). Resin Transfer Moulding (RTM), Reaction Injection Moulding (RIM) мають доведеними перевагами в процесі виробництва виробів невеликих і середніх габаритів, проте сильно програють при збільшенні розміру крупносерийной деталі. Пов’язано це з тим, що процес підготовчої роботи включає в себе етапи, які складно реалізувати при великій площі заготовки:

  • крій, формування та укладання тканини для отримання препреги з використанням полімерного сполучного речовини;
  • довгий час затвердіння нанесеного складу;
  • висока собівартість комплектуючих матеріалів.

Тобто, як видно, при вищеописаних умовах в геометричній прогресії буде рости ціна на кінцеві вироби, що відправляє їх в сегмент неконкурентоспроможних по відношенню до аналогічної продукції з термопластичної маси, отриманої методами прямого лиття, glass-mat thermoplastic (GMT) або long fiber-reinforced thermoplastic (LFT).

До початку другої половини 20-го століття були розроблені і введені в експлуатацію композитні матеріали, основою яких є високомолекулярні сполуки – поліефіри, скловолокно і різні мінеральні компаунди, наприклад SMC – Sheet Molding Compound (препреги) і BMC – Bulk Molding Compound (премікс). Ці інновації дозволили по-новому поглянути на технологічний процес виробництва серійної продукції малих і середніх габаритів.

Представлені два матеріали використовуються в різних галузях, так область застосовності SMC:

  • кузовні деталі в транспортній промисловості;
  • вироби побутового вжитку, наприклад, шафи;
  • ряди стадіонних сидінь і посадочних місць в комерційному транспорті;
  • елементи електротехнічної промисловості і світлових виробів.

BMC, в свою чергу є основою для формування таких деталей зі складною конфігурацією, як:

  • складові двигунів для автомобілів і тракторної техніки;
  • рефлектори світлових приладів;
  • елементи електротехнічних і електричних побутових пристроїв.

SMC препреги як листовий матеріал

За зовнішнім виглядом SMC це пластини листового матеріалу, які виготовлені за допомогою спеціалізованого обладнання, причому, безперервним методом. В його основу входить цілий спектр складових елементів, а саме високомолекулярні поліефіри, наповнювачі з мінералів, таких як кальцій у вигляді крейди, оксид алюмінію в зв’язці з водою, речовини, що перешкоджають усадці і надають потрібний забарвлення, а також каталізатори полімеризації.

Готовий склад наноситься на підкладку, після чого подається на пристрій, розрізання майбутній матеріал на необхідні розміри і вкриває зверху шаром скловолокна. Готовий брикет покривається вторинним шаром полімерної суміші і пресується для досягнення дифузії складу в армирующее волокно. Після всіх механічних процедур слід термічна обробка всередині спеціалізованої камери, де підготовлений матеріал знаходиться в рулонах і, як це називається, «дозріває».

Само собою зрозуміло, що кожен компонент в складі полімерного складу виконує певну функцію:

  • високомолекулярний поліефір, по суті смола, є основним елементом, що забезпечує надійну механічну зв’язок всіх елементів за трьома вимірами, а також відповідає за якісні термодинамічні показники;
  • мінерали у вигляді наповнювача на початковому етапі кілька знижують адгезію до смолі, дозволяючи протягувати скловолокно, а оксиди алюмінію в поєднанні з водою гарантують готової продукції високий клас вогнетривкості;
  • елементи, що компенсують усадку матеріалу, відповідають за збереження рівної і гладкої поверхні після термічної обробки, що є чи не основним вимогою у виробництві кузовних елементів на базі SMC;
  • скловолокно або склотканина виступає в ролі армуючого шару, що додає матеріалу необхідну поздовжню і поперечну міцність;
  • каталізатори полімеризації, як зрозуміло з назви, сприяють інтенсивному запуску і підтримці цієї хімічної реакції, причому дуже важливо підібрати необхідні елементи і їх пропорції з метою уникнення можливих неоднорідності структури, тріщин і т. д. внаслідок зростання швидкості процесу.

Особливості виробництва виробів з SMC

Найбільш поширеним методом виробництва продукції з листів SMC великих розмірів є процес прямого впливу гідравлічного прес-пуансона з використанням спеціальних нагрітих прес-форм. Головна умова застосовності того чи іншого преса полягає в його можливості паралельної обробки плит в стадії технологічного процесу, завдяки чому виходить досягти рівномірної товщини вироби на довжині від трьох метрів. Фаворитом серед такого обладнання є пресувального обладнання від німецької компанії Діффенбахер, що займає цю ринкову нішу вже протягом багатьох років.

Листи матеріалу раскраиваются згідно з регламентом технічної документації, збираються в пакет, розігріваються під впливом мікрохвильового випромінювання і укладаються в необхідну прес-форму. На цьому етапі дуже важливо з самого початку забезпечити правильне розташування всього пакета.

Прес-форма є потужним монолітним сталевим виробом з використанням хрому як в основний структурі, так і для виготовлення поверхні. Нагрівання до робочого температурного режиму, який лежить в діапазоні 150-170, градусів може бути здійснений як з застосуванням електричних ТЕНів, так і за допомогою рідинної системи. Основні параметри, за якими необхідний постійний контроль і від яких буде залежати кінцева якість продукції, що виготовляється, це відсутність температурного градієнта по всій площі прес-форми і її внутрішня механічна напруженість. Стабільність цих показників дозволяє на максимальному рівні дотримуватися правил технологічного процесу.

Швидкість полімеризації прямо пропорційна товщині і рельєфності вироби, займаючи при цьому від двох до п’яти хвилин. Після того як деталь витягнута з прес-форми, піддана необхідних процедур у вигляді очищення від облоя і шліфовці, вона цілком придатна для подальших процесів – складання, нанесення лаку, безпосередня установка на своє місце і кінцевий введення в експлуатацію. Як уже було зазначено вище SMC маю хорошу стійкість до термічних навантажень, це якість дозволяє застосовувати найрізноманітніші типи нанесення лакового шару.

Властивості SMC препрегів

Для розуміння сфери застосування цього матеріалу корисно розглянути його типові властивості, які задовольняють потреби при виготовленні великогабаритної продукції:

  • кількість армуючого шару скловолокна складає від 20 до 40 відсотків;
  • щільність по всьому об’єму від 1,40 до 1,80 г / см3;
  • усадка на всьому протязі технологічного процесу лежить в інтервалі від -0,1 до 0,25 відсотків;
  • стійкість до механічного тиску при вигині до 150 МПа, при розтягуванні до 100 МПа, модуль дорівнює 14,000 МПа;
  • ударна в’язкість становить від 30 до 12 кДж / м2;
  • дугоустойчівость дорівнює 3 хвилинам;
  • діелектрична міцність до 20 кіловольт на міліметр;
  • вогнетривкість відповідно до стандартом UL 94 має значення HB-VO на кожні 1,6 мм;
  • стійкість термічних дій до 250 градусів Цельсія;
  • стеклование при температурі від 160 до 180 градусів Цельсія;
  • гідрофільність до 0,05 відсотків.

Звичайно ж, характеристики для якогось конкретного виробу з SMC можуть сильно відрізнятися в залежності від умов застосування. Але незмінними залишаються мінімальне значення усадки під час технологічного процесу, високий ступінь ударної в’язкості, а також можливість конвеєрної лакування.

Головними перевагами по відношенню до аналогічних виробів зі сталі є те, продукція на основі SMC не схильна до корозії і важить значно менше. Також завдяки універсальності отриманих елементів вони можуть бути інтегровані в конструкцію у вигляді точок кріплення або лонжеронів, що різко впливає на економічну складову використання композитних матеріалів в позитивному ключі.

область використання

До сьогоднішнього дня існує багато виробників, які реалізують продукцію з SMC препреги, її можна перерахувати за призначенням:

  • деталі і елементи вантажного, легкового та пасажирського авто і транспортного будови, такі як бампера, панелі торпед і дверей, крила і пороги, різні обтічники і елементи багажника, підніжки, масляні піддони і т. д .;
  • шафи монтажні та електророзподільні;
  • кожухи світильників, як вуличних, так і встановлюваних на промисловій зоні;
  • деталі, що використовуються в електротехніці, складському справі і т. д.

Також необхідно назвати елементи легкового і вантажного автомобілебудування, застосування SMC в монтажній діяльності та облаштуванні промислового освітлення /

кузовні деталі

Завдяки своїй невеликій масі, препреги SMC знайшов широке застосування в конструюванні і виготовленні кабін як вантажних машин, так і легкових автомобілів. Простота формування і висока міцність дають можливість поєднувати і об’єднувати складні конструктивні елементи без використання болтових або зварних з’єднань. В Європі вже існує безліч провідних компаній-виробників, здатних уявити приклади таких нововведень.

масляні піддони

Як відомо, така деталь повинна жорстко відповідати досить високим вимогам, а саме бути стійкою до механічних впливів, мати високий ступінь ударної в’язкості, не допускати протікання, мати можливість в необхідний момент бути доповненою необхідним інженерним рішенням. Всіма цими якостями володіють вироби, виготовлені з SMC, причому важливим є те, що продукція з цього матеріалу з легкістю виробляється в великосерійних масштабах. Ще одним дуже важливим перевагою є звукоізолюючі властивості SMC препреги, чого не можна сказати про металевих аналогах. Конвеєрна процедура випуску масляних піддонів регламентована не тільки стандартними діями по опрессовке, зняттю облоя і подальшій механічній обробці, але також, завдяки ретельному контролю, гарантує майже стовідсоткову ймовірність відсутності варіації розмірів і мікродефектів.

Шафи для монтажної діяльності

Початок застосування таких конструкцій датується початком другої половини минулого століття, а країною-засновником є ​​Німеччина, де такі шафи і були розроблені. Починаючи з того часу ця продукція стала користуватися широким попитом в обладнанні вулиць міст європейського сегмента. Оскільки такі монтажні шафи мають високий ступінь захисту від атмосферних впливів, міцністю, вандалостійкий, а також простотою і гнучкістю у виробництві, і мають широкий спектр комплектацій, вони стали масово використовуватися в розподільних мережах газу, води і електрики, а також телекомунікаційних системах.

Промислове та споживче освітлення

Однією з важливих галузей застосування SMC препреги є виготовлення корпусів для промислових або вуличних систем освітлення. Плюсами тут є використання найпередовіших принципів конвеєрної обробки матеріалу, в тому числі відлив і спрессовиваніе із застосуванням автоматики. Такий підхід призводить до істотного зниження витрат на виробництво без втрати якості кінцевої продукції.

На відміну від тих же термопластових аналогів, корпусу з SMC препреги відрізняються значно низькою вартістю первинної сировини, високим ступенем вогнетривкості за рахунок відсутності галогенів, ряду важких металів і фосфорних сполук, а також атмосферостійкістю, підвищеною механічною міцністю і водонепроникністю внаслідок наявності можливості використання додаткових герметизуючих елементів .

Особливості використання преміксів BMC

Очевидно, що основна відмінність преміксів від препрегів полягатиме в етапах технології виробництва. Незважаючи на те, що базові компоненти використовуються одні й ті ж, при виготовленні BMC волокно вибирається помітно коротше, від 3 до 15 мм, а також реалізується укладання підвищеної кількості наповнення, що відбивається на зростанні в властивості плинності і стійкості до впливу вогню і хімічних реагентів .

Завдяки використанню все тих же присадок, таких як поліефірні смоли, наповнювачі з мінералів, компоненти проти усадки під час полімеризації, армуючі волокна, барвники і т. Д., BMC відносяться до класу найбільш універсальних матеріалів в області розробки і конструювання за допомогою полімерів, дозволяючи спроектувати і створити вироби для самих різних додатків. Як стандартних, так і вельми неординарних.

За аналогією з SMC, властивості найпоширеніших преміксів BMC можна надати за допомогою конкретних цифр, які, однак, не вичерпають усього розмаїття всіх відомих типів цього матеріалу:

  • кількість армуючого шару скловолокна складає від 10 до 30 відсотків;
  • щільність по всьому об’єму від 1,40 до 2,40 г / см3;
  • усадка на всьому протязі технологічного процесу лежить в інтервалі від -0,1 до 0,25 відсотків;
  • стійкість до механічного тиску при вигині до 140 МПа, при розтягуванні до 60 МПа, модуль дорівнює 15,000 МПа;
  • ударна в’язкість становить від 10 до 40 кДж / м2;
  • дугоустойчівость дорівнює 210 секунд;
  • діелектрична міцність до 25 кіловольт на міліметр;
  • вогнетривкість відповідно до стандарту UL 94 має значення HB-VO на кожні 0,8 мм;
  • стійкість термічних дій до 250 градусів Цельсія;
  • стеклование при температурі від 160 до 210 градусів Цельсія;
  • гідрофільність до 0,05 відсотків.

Виходячи з представлених чисел ясно, що такі елементи автомобільних агрегатів, як деталі системи охолодження і подачі палива, різні розподільні частини, контрольні датчики і кришка ГБЦ (головки блоку циліндрів), виготовлені з преміксу, будуть відрізнятися високими показниками до теплового і хімічного впливу (гаряче автомобільне масло, бензин чи дизельне паливо, антифриз або тосол, гальмівна рідина, картерів гази і т.д.). Також ці деталі будуть мати властивість витримувати сильні механічні навантаження і мати хорошу ударну в’язкість.

Елементи для електротехнічної промисловості повинні, в першу чергу, мати високий ступінь дугового і трекингової стійкості, бути трудновоспламеняємимі або повністю вогнетривкими. Матеріал BMC V0 класу відповідає всім цим вимогам відповідно до міжнародного стандарту класифікації UL94 і вже при товщині в долі міліметра володіє потрібними діелектричними властивостями, при цьому відрізняючись мінімальним влагопоглощенієм.

Як основа для виготовлення рефлекторів фар для автомобільної та мото- техніки, премікс показує відмінні результати, що виражаються в максимальній передачі форми відбиває площі без будь-яких дефектів, високого ступеня термостійкості і мінімальним рівнем виділення при нагріванні парів шкідливих речовин, так званий “fogging”.

Заготовки з BMC, призначені для штампування деталей електропобутових приладів, можливо виконати кольором з широкої палітри відтінків, а також виготовити їх поверхню структурної. В кінцевому підсумку, такі елементи будуть мати мінімальну схильність до деградації кольору або фарбування внаслідок взаємодії з продуктами харчування і високий опір активних компонентів миючих засобів. Корпуси електродвигунів з преміксу виробляються з колосально низької похибкою, що не перевищує десятки мікрон, причому, не застосовуючи механічну обробку. При цьому, кінцевий виріб має високі діелектричні властивості і стійкість до механічних навантажень.

Одна з головних особливостей BMC в області конструювання і проектування полягає в тому, що для нього існує не один спосіб формування цільової продукції. Поряд з традиційною прямий і трансфертної прессовкой за допомогою пуансона і нагрівається сталевий ванни зі спеціальним покриттям, премікси можна обробляти методом лиття, за аналогією з термопластичними заготовками. Для цього необхідно використовувати спеціалізовану литьевую машину, завдяки якій на конвеєрі досягається максимально можливий ступінь автоматизації процесу, а також, з огляду на велику швидкість полімеризації, висока економічна складова. Це має переважаюче значення при веденні багатосерійного виробництва в автомобільній, транспортній, електротехнічної та інших видах промисловості, виводячи премікс BMC на конкурентоспроможний рівень в одному ряду з відомими конструкторськими термопластами.

Утилізація препрегів і преміксів

Слід зауважити, що на відміну від аналогічних матеріалів, BMC і SMC не можуть бути піддані вторинній переробці із сміттєвих виробничих відходів або старих виробів, оскільки вони відносяться до класу термореактивних полімерів. Звичайно ж, мова йде про традиційний метод, тому застосування цих матеріалів нестандартному вигляді повторно все ж можливо. Це робиться за допомогою використання їх в якості наповнювача при виготовленні BMC, а також в будівництві дорожніх полотен, попередньо піддавши операції дроблення до фракцій в діапазоні від 0,1 до 1 мм.

Також, внаслідок високої енергетичної цінності і низького рівня викиду шкідливих речовин в атмосферу Землі, відходи можна піддавати спалюванню поряд зі звичайним побутовим сміттям в спеціальних установках, що виробляють енергію для забезпечення невеликих сіл і міст. Не є винятком і цементно-бетонна промисловість, де частки цього матеріалу додаються як наповнювач.

На сьогодні технологія і виробництво, як використання, так і переробки препрегів і преміксів знаходяться на стадії бурхливого зростання і займають лідируючі позиції в сегменті полімерних з’єднань. Це позитивний тренд, що дозволяє вести нові дослідження в області застосування цих матеріалів з широким спектром можливостей.

Ссылка на основную публикацию