Инновационные методы литья под давлением деталей из пластмасс, армированных волокном.
Облегченная конструкция сегодня уже не самоцель. Ввиду истощения ресурсов и возрастающих проблем экологии она стала экологической, равно  как и экономической, необходимостью.

Достаточно упомянуть лишь актуальную дискуссию об эмиссии С02 и требование узаконить предельные значения выбросов. Поэтому во всех сегментах экономики, занятых производством средств передвижения будь то автомобилестроение, железнодорожный транспорт или авиация и космонавтика идет поиск технически и экономически приемлемых решений для снижения расхода топлива за счет облегченной конструкции.

Конструкционные детали из пластмасс, армированных волокном (волокнитов), обладают необходимым набором свойств и позволяют изготавливать и перерабатывать даже комплексные облегченные конструкции с особыми структурными и функциональными свойствами (облегченная конструкция с интегрированными функциями). Ведутся работы по дальнейшей оптимизации пригодных методов изготовления, при этом особую роль будет играть литье под давлением, так как здесь в распоряжение предоставляется технология для реализации и трехмерной геометрии армирования волокнами.

 Исходная ситуация

Пластмассы, армированные волокном, различаются, прежде всего, по базовому материалу, матрице: реактопласт это или термопласт. От материала матрицы зависит технология, пригодная для переработки (рис. 1).

Так для переработки волокнитов с матрицей из реактопластов используется технология прессования, литья под давлением, а также реакционного литьевого формования, в то время как для волокнитов с матрицей из термопластов используется технология прессования и литья под давлением.

Двумя интересными методами реакционного литьевого формования для переработки вона основе полиуретана для деталей облегченных конструкций являются литье материалов с длинноволоконным компонентом LFI(Long Fiber Injection).

LFI-технология была предложена как выгодная по затратам альтернатива методу структурного реакционного литьевого формования (S-RIM). Преимущества LFI в плане снижения издержек обусловлены в первую очередь недорогим исходным продуктом, так как перерабатываемые пучки стекловолокон приблизительно на 50 % дешевле стекломатов.

Кроме того, экономия достигается и при переработке. Стекломаты, необходимые для метода структурного реакционного литьевого формования, должны предварительно формоваться и штамповаться, что наряду с дополнительной технологической операцией связано с расходами на утилизацию отходов штамповки. К тому же ручная погрузка-разгрузка стекломатов создает определенные проблемы, так как она, например, повышает расходы на использование рабочей силы.

особый интерес, если, кроме снижения веса, целью явля¬ете и высокая жесткость изгибе. Вместо стекломатов также могут перерабатываться маты из натурального волокна.

Волокниты с матрицей из термопластов

Наиболее интересной группой материалов - как с точки зрения  потенциала развития технологии, так и с точки показателей роста – в настоящее время считаются волокниты с матрицей из термопластов, в то время как в динамике волокнитов с матрицей из реактопластов уже довольно продолжительное время наблюдается тенденция к стабилизации (хотя и на весьма высоком уровне).

Так в производстве термопластов, армированных длинными волокнами (LFT), можно видеть, что внедренный и технологически безопасный метод переработки стекломатов на основе термопластов (GMT) за прошедшие годы все больше и больше подвергается «атакам» со стороны непосредственной подготовки смеси матрицы и волокон на шнековых машинах (экструдере, машинах для литья под давлением). Здесь тоже определенную роль играют расходы, так как для переработки стекломатов на основе термопластов необходимо сначала изготовить стекловолоконные маты и заготовки, нагреть их и затем подать на пресс. Б сравнении с этим подготовка на шнековом агрегате производится при значительно более эффективном расходе энергии за одну технологическую операцию. При так называемых прямых процессах армирования длинными волокнами армирующие волокна непосредственно подводятся к машинному модулю пластификации и компаундирования в качестве бесконечных пучков (технология D-LFT) или в форме длиноволоконных гранулятов (LFG). Уже в середине девяностых годов последовало внедрение на рынок гранулированных материалов с длиной волокон от 3 до 25 мм. Эти длиноволоконные системы перерабатываются главным образом машинами для литья под давлением. Позднее, в конце девяностых годов, на рынок была внедрена технология D-LFT.

Причины смены материалов и технологии становятся понятными при сравнении методов по таким параметрам как свойства конструкционных деталей и издержки.

Сравнение механических свойств

Исследовались и сравнивались механические свойства(предел прочности при растяжении, модуль упругости, ударная вязкость) конструкционных деталей в обоих методах, а также монетарные критерии, такие как брак, допуски, стоимость сырья и материалов, производственные и общие издержки. Сравнение показало, что технология переработки стекломатов на основе термопластов, обеспечивая на 100 % заданные механические свойства, значительно про¬игрывает в планеиздержек.

Общая степень выполнения критериев при использовании метода переработки стекломатов на основе термопластов составляет 86 %.

Переход от ступени полуфабрикатов «технологии матов» к подготовке материала с помощью шнекового агрегата и последующей выгрузки материала в открытый формообразующий инструмент пресса описывается методом D-LFT-ЕСМ - прямого армирования длинными волокнами при прессовании с экструзией (ЕСМ: Extrusion Compression Moulding). Обращает на себя внимание ухудшение механических свойств, в особенности предела прочности при растяжении и ударной вязкости, что можно объяснить более короткими волокнами в конструкционной детали, поскольку при методе GMT стеклянные маты заделаны в матрицу, а при методе D-LFT речь идет о пластификате из волокон и материала матрицы. При использовании метода D-LFT степень общего выполнения критериев составила 88 %.

В третьем исследованном методе D-LFT-IM, называемом здесь прямое армирование длинными волокнами при литье под давлением (IM: Injection Moulding), использовалась машина для литья под давлением, комбинированная с двухшнековым экструдером непрерывного действия, и компаундер для литья под давлением от Krauss Maffei, Мюнхен. Интересно, что монетарные критерии здесь были полностью достигнуты, а механические свойства (в частности, предел прочности при растяжении и ударная вязкость), напротив, остались ниже заданных значений. Главной причиной здесь тоже является сокращение эффективной длины волокон. Для этого существуют два объяснения:

- Так же как и в методе прямого армирования длинными волокнами при прессовании с экструзией подготовка смеси волокон и матрицы происходит в шнековом агрегате.

- Кроме того, пластификат вводится под давлением в закрытую пресс-форму, при этом он должен протекать через проточные каналы и проходы с узкими поперечными сечениями в соплах с затвором. При этом стеклянные волокна частично повреждаются и не могут затем в полной мере проявлять свое действие.

Несмотря на это, общая степень выполнения критериев при указанном методе достигает 92 %. Из этого можно сделать двоякий вывод:

- Метод с использованием литья под давлением пригоден для изготовления облегчен¬ных конструкционных деталей, подвергающихся высокой нагрузке.

- В то же время необходимо усовершенствовать этот метод с его технологическим потенциалом для выполнения всех критериев.

 Преимущества технологии литья под давлением

Преимущества технологии литья под давлением говорят сами за себя. Таковыми у этого наиболее распространенного способа переработки пластмасс являются:

- воспроизводимая технология с безопасными процессами,

- высокая степень автоматизации,

- изготовление деталей с комплексной трехмерной геометрией,

- интеграция дополнительных функций (шарниры, сенсорика и многое другое),

- разнообразные варианты комбинации методов,

- извлечение деталей с окончательным контуром; отсутствие необходимости дополнительной обработки (степень свободы),

- хорошее качество поверхности (пригодны для лакировки),

- сравнительно малые капиталовложения.

Недостатками являются анизотропные свойства деталей, обусловленные зависимостью от направления потока, а также повышенный излом волокон при переработке длинных волокон.

Сравнение методов показывает, что качество и механические свойства материала на основе термопластов, армированных длинными волокнами, существенно определены реологическими свойствами, обусловленными влиянием процесса, и длиной волокон, реализованной в конструкционной детали. На реальную длину волокон в детали значительное влияние оказывает процесс переработки.

Для сравнения различных технологий переработки и их влияния на механические свойства достаточно рассмотреть их в относительных величинах.

Методом аппроксимации может устанавливаться характеристика взаимозависимости модуля упругости при изгибе и ударной вязкости при определенном процессе переработки. По этой характеристике определяется приоритетность технологий для достижения определенных механических свойств. В соответствии с этой приоритетностью технология литья под давлением (в данном случае подготовка пластификата матрицы и волокон с последующим впрыском в закрытую пресс-форму) не позволяет достичь механических характеристик, которые достигаются при переработке стекломатов на основе термопластов.

Целенаправленное армирование конструкционных деталей

В настоящее время конструкционные детали, как правило, подвергаются высоким нагрузкам не на всех участках. Поэтому предлагается локальное целенаправленное армирование зон, подвергающихся особым нагрузкам, бесконечными волокнами в форме текстильных систем жесткости, профилей или однонаправленных волоконных систем. Таким образом, целью является разработка процесса, пригодного для изготовления крупных партий гибридных высокоэффективных композиционных материалов. В качестве необходимого базиса для этого предлагается легко автоматизируемый процесс литья под давлением с его короткими циклами.

При литье под давлением гибридных структур (пластмасса/ металл) используется укрепление неформованных стальных листов ребрами жесткости и соединение (монтаж) нескольких таких усиливающих прослоек. Технологически зрелым соответственно используемым является также и метод напыления на задней стороне для декорирования деталей непосредственно в автомобиле, например, посредством текстильных материалов. И, наконец, высокая степень свободы оформления при литье давлением позволяет нитровать функциональные элементы в  одной и той же технологической операции.

Вышееуказанные недостатки литья под давлением могут компенсироваться с помощью комбинированной техники армирования термопластов длинными волокнами и целевого усиления текстилем (тканью) или однонаправленными элементами жесткости (бесконечными волокнами). Для достижения требуемых свойств деталей необходима соответствующая комбинация выбранных материалов (матрицы и волокон) в сочетании с оптимальным методом (использование длинноволокнис того гранулята или прямого метода армирования длинными волокнами при литье под давлением), а также подходящего материала армирования (бесконечного волокна или ткани) для зон, подвергающихся нагрузке.

Совсем другие перспективы открываются для высокоэффективных гибридных композиционных материалов на основе термопластически связанных стекловолоконных, углеродноволоконных или арамидноволоконных тканей с материалами матрицы, армированными короткими или длинными волокнами.

Так характеристика жесткости и прочности зон деталей LFT, подвергающихся нагрузке, значительно повышается при армировании их прослойками из бесконечных волокон. Такие комбинации материалов позволяет выполнить, в частности, требования при испытании на разрушение. Эти гибридные композиционные материалы играют решающую роль, прежде всего, в узловых точках и в зонах бокового разрушения.

Интегрированные функциональные узлы

Важным аспектом в будущем является интеграция так называемых интеллектуальных функций в детали. Литье под давлением позволяет облицовывать путем экструзии или интегрировать датчики, исполнительные органы или комплектные функциональные электронные узлы в критические зоны деталей. Еще дальше идут концепции контроля структурных конструкционных деталей для защиты их функционирования с помощью системы мониторинга.

В основном технология переработки полимеров, в особенности технология литья под давлением, уже сегодня предлагает все предпосылки для объединения, например, процесса переформования с исходным формообразованием. Инновационная техника машин (технология с поворотной плитой) и пресс-форм (динамическое темперирование пресс-формы - совместный проект фирм Krauss Maffei и GWK) обеспечивают новую степень свободы при эффективном изготовлении структурных конструкционных деталей, армированных волокнами. Тем не менее, для успешного поиска технически и экономически пригодных материалов и методов, позволяющих получить определенный продукт, все большую важность приобретают мышление и действия в масштабах сети технологий. Например, путем системного сотрудничества специалистов в областях экструзии, реакционного литьевого формования и литья под давлением. Целью такого объединения должно являться своевременное выявление тенденций для активного (а не реактивного) развития технологий.

Эрвин Бюркле и Мартин Вюртеле, Krauss Maffei Technologies GmbH, г. Мюнхен

www.polymery.ru