Clopotel Paul R.C.S.C.

METODE DE FABRICARE A STRUCTURILOR COMPOZITE

Un material compozit reprezintă o combinație între două sau mai multe materiale diferite din punct de vedere chimic, cu o interfață între ele. Materialele constituente își mențin identitatea separată (cel puțin la nivel macroscopic) în compozit, totuși combinarea lor generează ansamblului proprietăți și caracteristici diferite de cele ale materialelor componente în parte. Unul din materiale se numește matrice și este definit ca formând faza continuă. Celălalt element principal poartă numele de armatura (ranforsare) și se adaugă matricei pentru a-i îmbunătăți sau modifica proprietățile. Armatura reprezintă faza discontinuă, distribuită uniform în întregul volum al matricei.Fibrele sunt elementul care conferă ansamblului caracteristicile de rezistență la solicitări. În comparație cu matricea, efortul care poate fi preluat este net superior, în timp ce alungirea corespunzătoare este redusă. Matricea prezintă o alungire și o reziliență la rupere mult mai mare, care asigură că fibrele se rup înainte ca matricea să cedeze. Trebuie insă subliniat faptul că materialul compozit este un ansamblu unitar, în care cele două faze acționează împreună, așa cum sugerează curba efort – alungire pentru compozit.

Materialele compozite dispun de atuuri importante în raport cu materialele tradiţionale ca metalul şi lemnul şi aduc numeroase avantaje funcţionale: greutate scăzută, rezistenţă mecanică si chimică, costuri de intreţinere reduse, libertatea formelor şi dinamica design-ului.

Ele permit să prelungească durata de viata a anumitor echipamente datorită proprietăţilor mecanice şi chimice. Aceste materiale contribuie la sporirea securităţii datorită rezistenţei mai bune la şocuri şi la foc. De asemenea oferş o mai bună izolare termică. Măresc de asemenea posibilităţile de concepţie, permiţând micşorarea greutăţii structurilor în scopul realizării formelor complexe, apte de a îndeplini mai multe funcţiuni. În fiecare domeniu al pieţei aplicaţiilor sale - automobile, construcţii,

Clopotel Paul R.C.S.C.

electricitate, echipamente industriale – aceste performanţe remarcabile sunt la originea soluţiilor tehnologice inovante.

1. Formarea (aşezarea) manuală

Formarea manuală a materialelor „preperg”, realizate din ţesături de sticlăîmpregnate cu răşină sintetică, în combinaţie cu suflarea în vid şi întărirea în autoclava,este cea mai folosită metodă pentru producerea componentelor compozite în industriaaerospaţială.

Procedura descrisă este capabilă să producă repere de înaltă calitate. Chiar dacăformarea manuală este considerată un proces meşteşugăresc, limitat numai deîndemânarea şi dexteritatea tehnicienilor care asamblează elementele componente, ea se bucură de o largă susţinere, deoarece pot fi realizate forme de geometrie complexă.

Majoritatea structurilor inteligente făcute să dureze au fost produse manual, din ţesături de sticla împregnate cu raşină sintetică. Aşezarea manuala este o operaţie extrem de laborioasă şi de acea totodată scumpă. În efortul de a reduce conţinutul de muncă asociat aşezării manuale, au fost făcute încercări de automatizare a anumitor porţiuni din procedură , ca tăierea automată şi transferul automat al stratului de ţesătură.

2. Formarea prin transfer a răşinii - SRTM şi formare prin injecţie – SRIM

Procedeele „SRTM” şi „SRIM” sunt utilizate pentru obţinerea subansamblelorcompozite prin aşezarea fibrelor uscate într-o matriţă închisă, urmată de injectia subpresiune a răşinii sintetice de legatură. Consumul de munca asociat cu asezareamaterialelor de armare în matriţă, înaintea injectării sub presiune a răşinii este relativ mare, dacă nu este adaugată o etapă intermediara de producere a semifabricatelor. Tehnica prezentată este capabilă să producă subansamble de mare complexitate geometrică.

Continutul de fibra al componentelor SRTM şi SRIM este uzual mai coborât, comparativ cu cel al subansamblelor obţinute folosind alte metode pentru producerea structurilor compozite.

Din acest motiv, cele două tehnici nu sunt potrivite pentru obţinerea structurilor de greutate scăzută, necesare în aplicaţiile spaţiale.

3. Formarea robotizata

Formarea robotizata este o încercare de automatizare a metodei formării manuale.Ea reuşeşte într-o anumită masură, să reducă munca manuală cerută de producereareperelor compozite. Însă economiile de muncă pot sau nu să fie negate , de costulprincipial mare al echipamentelor robotizate. În general, echipamentele formării robotizate, au mai puţină flexibilitate geometrică comparativ cu metodele manuale. Această constrângere geometrică limitează utilitatea potenţială a formării robotizate pentru producţia automată a structurilor inteligente.

Clopotel Paul R.C.S.C.

4. Formarea prin înfăşurare de filamente şi benzi

Înfăşurarea la cald a filamentelor, a fost una din tehnicile timpurii folosite laproducerea compozitelor structurale. Metoda este mai potrivita pentru producereacorpurilor de revoluţie. Pot fi folosite materiale „prepreg” sau respectiv fibre uscate, caresunt umezite împreuna cu materialul matricei, în timpul operaţiei de înfăsurare. Înlaboratoarele Air Force a fost experimentată această metodă şi demonstrează oportunitatea utilizării bobinajului de încălzire pentru producerea structurilor inteligente tubulare.

Din păcate, dificultatea utilizarii unor mari cantităţi de fibre orientate axial la fabricarea acestor structuri tubulare, limitează utilizarea metodei.

5. Extrudarea-tragerea (Pultruderea).

Fibrele uscate, straturile de țesătură, materialele miezului și/sau semifabricateleîmpletite sunt combinate cu matricea de rasină sintetica și trecute continuu printr-o matrita (filiera) caldă – fig. 1 . Masa de baza (matricea de rașina) se întărește pe porțiunea încalzită a matriței. Părțile compozite finite, sunt trase în mod constant printr-un sistem de mecanisme, care conduc continuu structura din matriță cu viteze relativ mari, pâna la câțiva metri/minut. Sistemul este recomandat pentru producția subansamblelor cu secțiune transversală constantă , cu proporții mari de fibre orientate axial. Folosind înfașurarea țesaturii sau a filamentelor paralele (unul dupa altul), este posibil să fie incluse straturi în unghi, în interiorul laminatului.

Fig. 1. Schema de principiu a unei instalatii de extrudare-tragere(pultrudere).

Clopotel Paul R.C.S.C.

În accepțiunea modernă, se consideră compozit armat cu fibre, un material din două componente la care raportul proprietăților dintre rezistența și fracțiunea volumetrica este de cel puțin 10%.

Pultruderea este un procedeu la care fracțiunea volumetrică de fibra este cea mai mare, mai ales cand pultruderea se realizează prin presiune.

La pultrudere se folosesc produse sub formă de suvițe unidirecționale sau sub formă de matrici, fibrele distribuite aleatoriu astfel încat planul sau matricea este cvasi-izotropă. Fibrele sunt împregnate și saturate cu o rașina polimerică de regula rasină termo-rigida. Fibra este trasă și ghidată printr-o matriță încălzită ce configurează secțiunea transversală a produsului.

Prin matriţa încălzită se accelerează polimerizarea răşinii pe măsură ce aceasta înaintează. Acest procedeu este similar extruderii şi aici matricea aste forţată să treacă printr-o matriţă, doar că la extrudere matricea este împinsă iar la pultrudere fibrele preîmpregnate sunt trase prin matriţă.

Prelucrate şi cromate, matriţa se aduce la o anumită temperatură, menţinută apoi constantă. Produsul astfel obţinut poartă denumirea de compozit cu matrice polimerică pultrudat (pultruded Fiber Reinforced Polymer (FRP).

Clopotel Paul R.C.S.C.

Fibrele cele mai des utilizate în procesul de pultrudere sunt:- Sticla E- Fibrele aramidice- Fibrele carbon- Fibrele grafit

Răşinile sunt termo-rigide:- Polistiren - Vinilester- Epoxidice

Un procedeu industrial uşor de controlat, pierderile sunt mici şi nu depăşesc 5%. Datorită constaţei secţiunii se păstrează consumuri identice de matrice iar excesul de răsină poate fi reintrodus în circuit .

Pentru echilibrarea proprietăţilor în direcţie transversală se folosesc matrice din fibre scurte cvasi-izotrope în planul lor, asigurând legăturile dintre fibrele unidirecţionale cât şi proprietăţile din direcţiile perpendiculare pe axa longitudinală a produsului. Fibrele sub formă de şuviţe sunt derulate de pe bobini si ghidate catre un sistem de preformare. Sistemul urmăreşte să se facă o preîmpregnare completă astfel încât fibrele sunt saturate cu raşină, pentru a nu apărea defecte în masa compozitului. Pentru a asigura învelirea în răşină matricea polimerică trebuie să fie foarte puţin vâscoasă. Împregnarea şi saturarea se poate face sub presiune, materialul rezultând mai compact dar şi fracţiuni volumetrice mai compacte. Viteza de întărire este cea care determină ritmul de producţie , într-un cât polimerizarea trebuie să fie cât mai completă, la ieşirea produsului format din matriţă. Fenomenul de întărire este mai controlat când se folosesc matriţe cu trepte diferite de temperatură.

Pultruderea are numeroase avantaje. Există produse avantajoase din punct de vedere material şi cu calitate superioară ce au la bază procesul tehnologic de pultrudare. Asta şi datorită faptului că este un process automat, fără intervenţii ale omului decât în cazuri extreme.

Clopotel Paul R.C.S.C.

6. CONCLUZII

Metodele de productie automatizate, care nu cer folosirea unor materiale „prepreg”scumpe, (folosite la aşezarea manuala) au fost în general de succes, privind reducereacostului de fabricaţie al structurilor compozite.

Analiza arată că „extrudarea-tragerea” (pultruderea) este de departe tehnica cu celmai avantajos cost pentru producerea componentelor compozite structurale.Costul scăzut al echipamentelor necesare pentru fabricarea compozitelor laminate(prin extrudare/tragere) poate fi atribuit unei diversităţi de factori. Deoarece procesuloperează cu puţin efort operator (menţinerea alimentării), costurile de muncă sunt drastic reduse pentru serii de producţie moderate. Utilajul este relativ ieftin, în comparaţie cu alte echipamente automate pentru producţia compozitelor, iar costurile de prelucrare sunt de asemenea coborâte. Pultruderea foloseşte cele mai puţin costisitoare forme ale matricii constituente şi respectiv cele mai avantajoase materiale de armare.

La toate celelalte metode de fabricaţie, câteva sau toate etapele procesului de fabricaţie, trebuiesc să fie repetate pentru fiecare articol care este fabricat. Costul operaţiilor repetitive, poate să mărească foarte mult preţul componentului finit. Numai pultruderea(extrudarea-tragerea) produce subansamble compozite complet întărite, pe o baza continuă şi de aceea este capabilă să fabrice structuri întărite de orice lungime la viteze de 15 – 40 de ori mai mari, comparativ cu metodele alternative.