Использование армированных пластиков связано в различной степени с формованием деталей для наземных транспортных средств. Различают процессы открытого (ручная выкладка, напы­ление и формование панели с использованием непрерывного на­полнителя) и процессы закрытого формования, наиболее важным из которых является прямое прессование (компрессионное формо­вание) с использованием композитных полиэфирных формуемых изделий; реже применяют штамповку предварительно отформован­ных заготовок, литьевое прессование (или литье под давлением) термо - и реактопластов на основе полиэфиров и штамповку арми­рованных термопластичных листов. Пултрузия также используется для изготовления непрерывных профильных изделий и с использо­ванием намотки волокна для изготовления пружин. Армирование полиуретанов для замены некоторых листовых кузовных панелей (например крыльев и дверей) осуществляется методом реакцион­ного литьевого формования армированных пластиков, которое также следует отнести к числу процессов и материалов для полу­чения армированных пластиков.

Ручная выкладка, напыление и формование с помощью ва­куумного мешка (диафрагмы) хотя и требует высоких затрат руч­ного труда, но дает некоторые преимущества, заключающиеся в низкой стоимости инструментальной оснастки, малом времени подготовки производства, свободе дизайна и возможности формо­вания очень больших, сложных деталей на основе полиэфиров 494 и стекловолокна. Для мелкосерийного применения в автомобиль­ной промышленности США такие процессы более предпочтительны по сравнению со штамповкой листовых металлов, требующей либо дорогостоящего оборудования, либо дополнительных опе­раций сварки, клепки или пайки. Для стран с менее развитой, чем в США, промышленностью при невысокой стоимости труда технология формования АВП привлекательна даже при средне­серийном производстве. Изготовленные из АВП капоты двига­телей, крылья, двери, крыши и некоторые внутренние детали, сформованные по этому методу, использовали преимущественно для автобусов, автомобилей скорой помощи и большегрузных автомобилей.

Типичный состав для ручной выкладки представляет собой слой шлифуемого гелькоата, некоторое количество слоев стекло - мата или тканого ровинга в полимерной матрице на основе не - наполненной полиэфирной смолы, и обеспечивает получение ком­позита толщиной 3,2—4,8 мм. Древесина или другие материалы могут быть также введены в систему путем соответствующего их расположения для механического присоединения к сопряженным деталям. Ребра жесткости формуются путем выкладки поверх неконструкционных материалов основы, таких как часто исполь­зуемые гофрированный картон и бальсовое дерево.

Ограничениями для использования такой технологии, наряду с относительно высокими трудозатратами, являются трудность при выдержке, малых отклонений по толщине материала и линии соединения, грубая неотделанная поверхность неформованной стороны и проблемы окончательной окраски, которые могут по­требовать доработки. Из-за возникновения многократных дефор­маций изгиба и вибрационной усталости толщина слоя гелькоата должна тщательно контролироваться и ограничиваться.

Для широкого применения армированных термореактивных полиэфиров, особенно таких, которые обладают критической раз­мерной точностью, обычно используется прямое прессование с на­греваемым штампом для формования изделий из листовых термо­пластов. Большая экономическая целесообразность использова­ния прямого прессования по сравнению с методом ручной выкладки выявляется при производстве 1—5 тыс. деталей и зависит от мно­гих факторов. В случае прямого прессования нет необходимости в гелькоате. Состав окончательных изделий содержит 15 ... 40 % нетканого стекловолокна, 35 ... 45 % полиэфирной смолы и остальную часть (15 ... 50 %) составляет минеральный наполни­тель, что соответствует содержанию компонентов в большинстве обычно применяемых с использованием прямого прессования материалов для промышленности, производящей средства транс­порта.

Большие, относительно простые детали получают в основном методом «мокрого» формования с использованием матов из непре­рывного ровинга или рубленого стекловолокна при наличии (или отсутствии) вуалеподобного поверхностного мата или малоуса­дочной полимерной добавки в зависимости от требований к по­верхности. Эти детали в несущих конструкциях обычно обладают хорошими физико-механическими показателями, размерной ста­бильностью и чистотой поверхности. Соединение деталей, содер­жащих структурные адгезивы, осуществляется просто, удобно и тысячи сложных автомобильных кузовов и кабин грузовых авто­мобилей составляют из деталей, полученных прямым прессова­нием именно таким образом. Более мелкие детали, такие как кор­пус отопителя, долгое время получали прямым прессованием из липкой смеси полиэфира и стекла или премикса, смеси рубленого стекловолокна или другого волокнистого армирующего компо­нента, катализированной смолы и наполнителя.

В последние годы получило развитие производство химически загущенных композиционных формовочных систем. Листовые и объемные формовочные материалы становятся стандартными для многих автомобильных деталей, таких как обрамление облицовки (решетки) радиатора, панель передних фар и удлинители крыльев, используемых на большинстве легковых автомобилей. С примене­нием в изделиях низкоусадочных и требующих малой фасонной обработки полиэфирных смол при относительно высоком давлении прессования (~6,9 МПа) сложные детали могут быть изготовлены методом прямого прессования с производительностью 30 шт. в 1 ч на одну пресс-форму. Так как ребра жесткости, бобышки и элементы утолщения стенок могут быть заформованы в деталь, операции механической обработки, изготовления и объединения деталей существенно упрощаются по сравнению с обработкой аналогичных деталей, изготовленных из стального листа штам­повкой или литьем в постоянные формы.

Хотя требуется несколько штампов для последовательного формования тех же самых деталей в металле, суммарная стои­мость оснастки может быть ниже, чем при переработке АВП в усло­виях крупносерийного производства. Чтобы изготовить требуемое число деталей из АВП для удовлетворения потребностей авто­мобильного производства, может потребоваться, например, шесть идентичных форм для литьевого прессования. Однако этот недо­статок можно превратить в преимущество в том случае, если с по­мощью минимальной модификации автомобиля, выпускаемого малыми сериями, ему можно будет придать другой внешний вид для удовлетворения запросов потребителя.

Низкое давление (3,45 МПа), используемое при формовании листовых изделий, создает альтернативу необходимости капитало­вложений в многотоннажные прессы для формования большего числа деталей. Высококачественные детали, такие как передняя часть грузового автомобиля (получаемая из предварительно отформованной заготовки), изготовляют прямым прессованием в стальных формах-штампах на прессах с усилием 5 ... 10 МН (500 ... 1000 тс). Другими словами, формование изделий Ш листо - 496 вых формовочных материалов (ЛФМ) при таких низких давле­ниях — путь увеличения производительности малотоннажных прессов.

Не во всех областях применения оказывается экономически оправданным использование стальных штампов. В таких слу­чаях следует рассмотреть холодное формование или литьевое прессование полимеров. Многие из ограничений метода ручной выкладки могут быть преодолены при ценах, меньших, чем тре­буется для формования объемных литьевых материалов. Большие простые изделия, которые требуется усилить стекломатами, или такие, которые были предварительно отформованы, являются наиболее целесообразными объектами для использования этого метода. Кроме того, другой альтернативой для исследования является использование обычного формования листовых изделий в автоклаве на формах средней стоимости.

Использование композиционных материалов конструкцион­ного назначения для наземных транспортных средств имеет своей целью снижение массы и повышение эффективности использо­вания топлива. Эта же цель предопределила создание компози­ционных материалов повышенной прочности для изготовления изделий методом прямого прессования. Содержание рубленого стекловолокна в интервале 50 ... 65 % с малым количеством или в отсутствие другого наполнителя в полимерной матрице позво­ляет получать листовые формованные изделия, из которых можно изготовлять детали, обладающие относительно высокой, но в до­статочной мере изотропной (сбалансированной) прочностью, на­пример с пределами прочности при растяжении до 207 МПа и при изгибе до 400 МПа. Если же необходимо иметь более высокие направленные показатели, как в случае использования пучков волокон для армирования (например, при изготовлении бруса буфера, объемном усилении секций опоры радиатора, а также деталей боковых и задних дверей), можно использовать армиро­вание непрерывным волокном, имеющим одноосную ориентацию, как уже было сделано для ЛФМ: предел прочности при растя­жении сгв = 345 ... 550 МПа и модуль упругости при изгибе £„ = 21 ... 34 ГПа могут быть достигнуты при измерении в на­правлении ориентации непрерывного армирующего компонента.

Другое семейство материалов однонаправленных композитов, известное под маркой ХМС, состоящее только из армирующего материала и полимера, было получено на стандартных машинах для намотки волокном. Посредством использования системы с программированными углами намотки и применением насыщен­ного полимера осуществляется перекрестная укладка непрерыв­ного армирующего волокна, приводящая к образованию сотен узлов пересечения волокон, работающих в качестве множества точек передачи напряжения в сформованной детали. В такой мате­риал может быть введено рубленое стекловолокно, как например в композите ХМС-3, для создания дополнительной прочности по отношению к крутящим и изгибающим напряжениям. Приведен­ное выше усиление с одновременным контролем содержания арми­рующего компонента позволяет получить более высокие суммар­ные показатели, например предел прочности при растяжении в интервале 517 ... 689 МПа, предел прочности при изгибе 862 ... 1069 МПа и модуль упругости при изгибе 38 ... 48 ГПа в направ­лении непрерывного армирования, с коэффициентом вариации показателей того же порядка, что и у металлов. Добавление угле­родного волокна (т. е. «гибридное» армирование) дополнительно увеличивает прочность и модуль упругости. В качестве областей применения для дальнейшего использования таких материалов можно назвать производство элементов, обеспечивающих безопас­ность, а именно: опоры коробки передач, усилительные брусья дверей, рессоры и колеса.

В любом случае при разработке деталей и выборе техники формования следует учитывать, что армирующие волокна следует ориентировать в направлении предполагаемых напряжений. На рис. 26.3 и 26.4 приведены значения предела прочности при рас­тяжении и модуля упругости при изгибе таких материалов в сравнении с обычными листовыми формовочными материалами (ЛФМ).

Хмс-г хмс-г хмс-з лфм л<рм им нмс п<рм пфм

(79/0) (75/0)(50/25)(60/0)(60/5)(30/г01(0/63)(0/50)(0/27)

Рис. 26.3. Предел прочности при растяжении ав композитов на основе полиэфира с различным содержанием непрерывного (в числителе) и рубленого длиной 25 мм (в знаменателе) стекловолокна при испытании параллельно непрерывным арми­рующим волокнам (А) и перпендикулярно к ним (Б)

Е

13, В 6,9

Литье армированных термопластов (АТП) и термореактивных полиэфирных материалов (в том числе фенольных смол) целесо­образно применять для изготовления многих широко распростра­ненных деталей вследствие короткого цикла изготовления, авто­матизации (возможной или уже реализованной), знакомства с параметрами разработки изделий (термопласты), уменьшения работ по отделке и небольших отходов. Используя нагретый пла - стицирующий цилиндр для расплавления и холодный штамп для ев, МПа.

Хмс-г хмс-г хмс-з лфм пфм пфм имс пфм пфм

F79/0} (75/0}(5O/ZS)(6O/O)(6O/5pO/2O)(O/63)lO/5O)(O/Z7}

Рис. 26.4. Модули упругости при изгибе £и композитов на основе стекловолокна и полиэфира (обозначения — см. подпись к рис. 26.3)

В89

SSI

Ыч-

27 В

138 О

Отверждения полимера, льют АТП, как «сухие» физические смеси короткого стекловолокна с порошком (чешуйками) или грану­лами (например, при прямом литье) или путем предварительного получения смесей волокна и полимера в расплавленном состоя­нии с конечным продуктом в виде гранул. Выбор зависит от типа отливаемого термопласта и его характеристики, распределения стекла и требований к механическим показателям композита, необходимых объемов композиционных систем, а также экономи­ческой оценки эффективности капиталовложений в смеси мате­риалов и условий их использования по отношению к применяемым деталям.

Литьевое формование термореактивных полиэфирных мате­риалов представляет собой сравнительно новый технологический процесс, особенно в случае изготовления крупных деталей, таких как панель обрамления облицовки радиатора и элемент крепле­ния передней панели, формование которых осложняется при работе со штампами, нагретыми для обеспечения отверждения смолы. Объемные детали, такие как питатель, получаются с необ­ходимыми конструкционными характеристиками, если осуще­ствить их изготовление из формовочных композиций ТМС с повы­шенным содержанием стекловолокна.

Другим эффективным альтернативным вариантом этого про­цесса является формование листовых деталей из непрерывно подаваемых лент. Преимуществом этого варианта технологии являются малая длительность цикла (около 1 мин), воспроизводи­мость качественных характеристик изделий и точное формование деталей больших размеров. Эти преимущества были использованы в ходе постоянного технологического улучшения оборудования процесса, конструирования форм, подбора материалов и их со­ставов. Улучшения в дальнейшем были направлены на «защиту»

Стекловолокна и в силу этого на улучшение средних физико-

Механических показателей композитов, несмотря на неравномер­ность ориентационных эффектов, достигающих 50 % и более по сравнению с материалами, получаемыми компрессионным фор­мованием.

Листы из армированных стекловолокном термопластов «Аздель» фирмы «Питтсбург плейт гласс индастриз» и найлона марки STX фирмы «Эллайд кемикел», которые могут быть предварительно размягчены до температуры плавления под воздействием тепло­вого излучения и отштампованы или сформованы в холодной форме и далее могут быть использованы для изготовления деталей с уникальными свойствами. По сравнению с традиционными сфор­мованными стеклонаполненными полиэфирами прочность этих материалов аналогична и изотропна, а модуль упругости даже несколько ниже, но ударная вязкость и жесткость много выше. Плотность полипропиленовых листов существенно ниже (1190 кг/м3) несмотря на высокое (40 %) содержание стекловолокна. Отделка материала путем окраски затруднена в случае использо­вания полипропилена в качестве связующего и удовлетвори­тельна в случае применения найлона. Эффективность и целесо­образность применения композитов, включая такие показатели, как стойкость к ударам камней, абразивному износу и другим эксплуатационным воздействиям (например, в случае буферов и багажных полок), стойкость к коррозионным воздействиям (в случае ящиков для аккумуляторов) и других деталей, требую­щих износостойкости (например, сиденья), обусловливают важ­ность конструирования соответствующих деталей и узлов. Штампы, аналогичные тем, которые применяются для формова­ния листовых материалов, используют в гидравлических прессах или прессах для штамповки, которые должны быть предвари­тельно модифицированы для того, чтобы иметь возможность за­держивать пуансон в нижней мертвой точке. Циклы формования менее чем 1 мин в данном случае типичны и позволяют обеспе­чить высокую производительность.

Пултрузия также является экономичным процессом как по расходам на оснастку, так и по себестоимости изделий в случае производства больших партий деталей с постоянным поперечным сечением. Непрерывно армированный элемент, будучи пропитан термореактивной смолой, пропускается через нагреваемый штамп для придания соответствующей формы. Этот процесс является в достаточной мере гибким благодаря тому, что состав и ориента­ция армирующих волокон (непрерывный ровинг, маты и плетеная ткань) могут быть приспособлены к требованиям, предъявляемым к конечному продукту. Многие конструкционные и декоративные детали автобусов, грузовых автомобилей и прицепов, предназна­ченных для дальних рейсов, изготовляются методом пултрузии. Ступени для железнодорожных вагонов изготовляются таким же образом. Пултрузия дает возможность проведения модификации 500 для достижения более широкой универсальности использования. Намотка волокном и намотка с раздувом при использовании про­питанного непрерывного армирующего компонента рассматри­ваются в качестве важных методов получения АП для рессор и рулевых колес соответственно. Наконец, последним методом в один технологический этап могут быть изготовлены жесткие рамные системы.

В настоящее время развивается метод получения армирован­ных литьевых изделий в процессе синтеза, известный как реак­ционно-литьевое формование усиленных пластиков для полиуре - тановых (и, возможно, для полиэфирных) мономеров, он может послужить основой для создания ударопрочных и коррозионно - стойких систем для замены листового металла, особенно в дета­лях, склонных к усталостному разрушению. Этот процесс вклю­чает смешение армирующего компонента обычно с одним из двух мономеров для получения полиуретанов (например, с изоциана - том или полиолом) путем объединения потоков в смесительной головке и впрыска смеси под малым давлением (345 кПа) в нагре­ваемую металлическую форму.

Полимеризация мономеров происходит непосредственно в форме, что приводит к формированию детали с собственной обо­лочкой и хорошо окрашиваемой поверхностью. Проблемы, кото­рые еще требуют разрешения, связаны с повышением вязкости системы, содержащей большое количество армирующего агента, замедлением процесса извлечения из формы и очисткой формы между очередными операциями заполнения. Благодаря низким капиталовложениям, неограниченному размеру деталей и потен­циально высокой продуктивности (полутораминутный цикл) авто­мобильные фирмы чрезвычайно заинтересованы в столь благо­приятном сочетании процесса с материалом для использования композитов при изготовлении наружных деталей с красивым внешним видом.