1. Подробное объяснение процесса горячего прессования углеродного волокна

Передовой производственный процесс, в котором используется герметичный сосуд под давлением (горячий пресс) для воздействия контролируемой высокой температуры, высокого давления и вакуума на препрег из углеродного волокна (волокна, предварительно пропитанные смолой), уложенный на форму, что позволяет ему затвердевать и формировать высокоэффективные композитные детали

2. Обзор процесса горячей обработки углеродного волокна

Процесс горячего прессования является основным методом производства высокопроизводительных, высокоточных и сложноструктурированных композитных компонентов из углеродного волокна. При этом достигается равномерное распределение тепла, высокое давление (давление газа) и вакуумная среда отрицательного давления, обеспечиваемая баком горячего пресса.

3. Характеристики процесса приготовления горячих горшков

Высокое давление и равномерное давление: газ высокого давления (обычно сжатый воздух или азот, с давлением в несколько МПа или даже выше) равномерно подается на вакуумный пакет со всех сторон

Ключом к достижению высокого объемного содержания волокон и низкой пористости является равномерное уплотнение слоя. Превосходит процесс прессования в вакуумном мешке, основанный исключительно на атмосферном давлении

Равномерный нагрев: Циркуляция горячего воздуха или нагреватель внутри бака горячего пресса обеспечивает очень равномерное температурное поле, обеспечивая синхронное отверждение всего компонента (особенно крупных сложных деталей), уменьшая деформацию теплового напряжения и внутренние напряжения

4. Технологический процесс горячего прессования углеродного волокна

1. Подготовка материалов

Выбор и резка предварительно пропитанного материала: Выберите подходящий материал для предварительной пропитки углеродного волокна (тип смолы, тип волокна, поверхностная плотность, направление слоя) в соответствии с требованиями дизайна. Используйте автоматические режущие машины или ручную точную резку для достижения желаемой формы и угла

Подготовка вспомогательных материалов: Подготовьте соответствующие размеры и типы пленки для вакуумных пакетов, воздухопроницаемого войлока, разделительной ткани, разделительной пленки, уплотнительной ленты, вакуумного шва, чувствительной к давлению ленты и т.д.

2. Проектирование и подготовка пресс-формы

Проектирование пресс-формы: Учитывайте форму, точность размеров, соответствие коэффициента теплового расширения, жесткость, прочность (чтобы выдерживать высокое давление), метод распалубки, эффективность нагрева, герметичность и т. д. заготовки. Распространенные материалы: сталь, инвар (сплав с низким коэффициентом расширения), пресс-формы из композитных материалов или мягкие пресс-формы из силиконовой резины.

Очистка формы и покрытие разделительным составом: Тщательно очистите поверхность формы, чтобы убедиться в отсутствии жира и пыли. Нанесите (распылите или протрите) высокотемпературный разделительный агент (например, воск или полупостоянный разделительный агент) равномерно на рабочую поверхность формы, чтобы сформировать изолирующий слой

Иногда используйте разделительную ткань, чтобы положить ее на поверхность формы.

3. Уложить

Укладка предварительно пропитанного материала: Точно уложите нарезанные слои предварительно пропитанного материала на поверхность формы в соответствии с разработанной последовательностью укладки, углом и положением. Точное выравнивание необходимо для предотвращения образования складок, перекосов и попадания посторонних предметов. Иногда требуется уплотнение и вытяжка между слоями

Размещение вставок: при необходимости установите металлические вставки, предварительно отвержденные заплаты, соединители или материалы для сердцевины (соты, пена и т.д.).

4. Вакуумная упаковка

Это очень важный и тщательный шаг.

Последовательная укладка вспомогательных материалов: Покройте поверхность слоя в последовательности

Разделительная ткань: предотвращает прилипание смолы к воздухопроницаемому войлоку, обеспечивая качество поверхности деталей

Дышащий войлок/абсорбирующий войлок: обеспечивает каналы для потока смолы и отвода газов. Впитывающий войлок также используется для поглощения излишков смолы

Изоляционная пленка (например, пленка FEP): опционально, предотвращает прилипание дышащего войлока/клеевого войлока к пленке вакуумного пакета

Пленка вакуумного пакета: покрывает весь слой и край формы, образуя закрытое пространство

Герметизация: Используйте уплотнительную ленту, чтобы плотно приклеить пленку вакуумного пакета к краю формы для запечатывания, обеспечивая отсутствие утечки воздуха

Подключение вакуумного трубопровода: Установите вакуумный соединительный трубопровод в подходящем месте (обычно над воздухопроницаемым войлоком) и подсоедините вакуумный шланг к вакуумной системе бака горячего пресса

Испытание на степень вакуума: Вакуумируйте (как правило, требуется достичь не менее -0,08 МПа или выше), проверьте герметичность, убедитесь в отсутствии утечек и поддерживайте давление в течение определенного периода времени. Степень вакуума является ключом к обеспечению уплотнения и выхлопа

5. Формование под горячим прессом (цикл отверждения)

Вставьте упакованные компоненты пресс-формы в банку для горячего прессования, закройте дверцу банки и запечатайте ее

Вакуумная откачка: Запуск вакуумной системы, поддержание и контроль уровня вакуума

Нагнетание давления: Заполните резервуар сжатым газом (воздухом или инертным газом, например азотом) и нагнетайте давление до заданного значения в соответствии с установленной программой (обычно поэтапно). Давление равномерно передается на заготовку через вакуумный мешок

Нагрев: Запустите систему нагрева (циркуляцию горячего воздуха или нагреватель) и повысьте температуру в соответствии с точно заданной кривой температуры и времени (кривой отверждения). Кривая определяется кинетикой отверждения системы смолы (включая скорость нагрева, температуру и время изоляционной платформы, скорость охлаждения и т.д.)

Отверждение изоляции: Поддерживайте достаточное время изоляции при заданной температуре отверждения, чтобы смола полностью сшилась и отвердилась. На этом этапе постоянно поддерживается давление и вакуум

Охлаждение: Программа контролирует скорость охлаждения (обычно медленную), чтобы избежать деформации или растрескивания деталей из-за теплового напряжения. Давление и вакуум обычно необходимо поддерживать на начальном этапе охлаждения, а в дальнейшем их можно постепенно снимать

Сброс давления: После того как температура снизится до безопасного уровня, медленно сбросьте давление внутри резервуара

Выньте из банки: Откройте дверцу банки и достаньте компоненты формы.

6. Формование и постобработка

Демонтаж системы вакуумных пакетов: Осторожно снимите пленку вакуумного мешка и все вспомогательные материалы (разделительную ткань, воздухопроницаемый войлок и т. д.).

Разборка: С помощью разработанного механизма или инструмента для формовки аккуратно отделите затвердевшие детали от формы. Необходимы навыки, чтобы не повредить детали и формы

Обрезка и обработка кромок: Удаление заусенцев, потеков клея и технологических припусков. Выполнение необходимых механических операций, таких как сверление, резка, фрезерование и т. д., для достижения окончательных размеров и требований к сборке.

Неразрушающие испытания: использование ультразвукового контроля (UT), рентгена, ударного контроля и других методов для проверки наличия дефектов, таких как расслоение, поры, включения внутри заготовки

Обработка поверхности: очистка, полировка (при необходимости), подготовка к последующей покраске или сборке

Окончательная проверка и поставка: Проведите окончательный контроль размеров, внешнего вида, эксплуатационных характеристик и т.д. и поставьте товар после прохождения контроля.

5. Преимущества и недостатки процесса горячего прессования углеродного волокна

Преимущества

Исключительно высокое качество компонентов: высокое объемное содержание волокон (>60%), чрезвычайно низкая пористость (<1%), оптимальные механические свойства (прочность, жесткость, усталостные характеристики)

Отличное качество поверхности: Контактная поверхность пресс-формы (поверхность прилипания) может достигать гладкости класса А или близкой к классу А

Отличная точность и стабильность размеров: высокая точность формы, равномерное давление полимеризации, однородное тепловое поле, хороший контроль размера детали и минимальная деформация

Мощная способность формировать сложные структуры: возможность изготовления больших сложных изогнутых поверхностей, переменной толщины, усиленных ребер, многослойных конструкций и других компонентов, которые трудно сформировать другими методами

Высокая степень зрелости процесса: Применяется в аэрокосмической и других областях на протяжении десятилетий, процесс является стабильным и надежным, с полными стандартами и спецификациями

Широкий выбор материалов: подходит для различных высокоэффективных смоляных матриц (эпоксидных, бисмалеимидных, полиимидных, термопластичных и т.д.) и препрегов из углеродного волокна

Недостатки

1. Стоимость оборудования чрезвычайно высока: инвестиции в сам большой резервуар горячего пресса и его вспомогательное оборудование (воздушный компрессор, вакуумная система, система охлаждения, система управления) огромны

2. Высокая стоимость пресс-формы: пресс-формы, требующие устойчивости к высоким температурам и давлению, высокой точности и низкого коэффициента теплового расширения (например, инвар), сложны в производстве и имеют высокую стоимость

3. Огромное потребление энергии: Процессы нагревания, нагнетания давления и вакуумирования потребляют очень большое количество энергии

4. Длительный технологический цикл: Весь процесс подготовки, укладки, упаковки, отверждения, охлаждения и последующей обработки занимает много времени (особенно при отверждении крупных толстостенных деталей), что приводит к относительно низкой эффективности производства

5. Высокий расход и стоимость вспомогательных материалов: Материал системы вакуумных мешков является одноразовым расходным материалом, с большим количеством использования и высокой стоимостью

6. Сложная эксплуатация и зависимость от опыта: Процессы укладки и упаковки в значительной степени зависят от квалифицированных работников, а формулирование и оптимизация параметров процесса отверждения также требуют глубоких профессиональных знаний

7. Ограничение по размеру: Размер детали ограничен объемом горячего пресса.

8. Экологическая проблема: Смолы могут выделять летучие органические соединения (ЛОС) при высокой температуре и давлении, что требует обработки

6. Области применения технологии резервуаров горячего прессования углеродного волокна; тенденции будущего развития

Область применения

Аэрокосмическая промышленность (основная область) основные несущие конструкции самолетов (крылья, панели фюзеляжа, хвостовое оперение, балки, ребра), компоненты двигателей (лопасти вентиляторов, корпуса), конструкции спутников, компоненты космических аппаратов, конструкции беспилотных летательных аппаратов и т.д.

Высокотехнологичное спортивное оборудование: велосипедные рамы, теннисные ракетки, клюшки для гольфа, запчасти для гонок, гребные лодки, высокопроизводительные лыжи/палки и т.д.

Автомобильная промышленность (высокопроизводительные/гоночные автомобили): Однообъемные кузова для гонок F1, структурные компоненты, компоненты шасси, прототипы, детали покрытия кузова для высокопроизводительных спортивных автомобилей и т.д.

Национальная оборона и военная промышленность: корпус ракеты, крышка радара, конструкция беспилотного летательного аппарата, компоненты бронетехники и т.д.

Область промышленности: высококачественные компоненты медицинского оборудования (такие как пластины для КТ/МРТ-сканирования, ортопедические инструменты), манипуляторы роботов, прецизионные структурные компоненты приборов, высококачественные аудио мембраны и т.д.

Новая энергетика: лопасти ветряных турбин (некоторые ключевые детали), водородные баллоны, компоненты топливных элементов и т.д.

Резюме

Процесс горячего прессования углеродного волокна является золотым стандартом для производства компонентов из композитных материалов с высочайшей производительностью и качеством, особенно крупных и сложных структурных компонентов.

Благодаря равномерному воздействию высокой температуры, высокого давления и вакуума, обеспечиваемых баком горячего пресса, достигается полное уплотнение, низкая пористость и точная контролируемая реакция отверждения материалов, что придает деталям непревзойденные механические свойства и точность размеров.

Однако высокие затраты на оборудование, пресс-формы, энергию и материалы, а также длительные технологические циклы являются основными препятствиями для его широкого применения.

Основные области применения этого процесса сосредоточены в аэрокосмической промышленности, спортивном оборудовании высокого класса, высокопроизводительных автомобилях/гоночных болидах, национальной обороне и военной промышленности, а также в других сферах, где требуются чрезвычайно строгие эксплуатационные характеристики и высокая добавленная стоимость.