16 października 2021

Metoda kontaktowa nakłada pewne ograniczenia co do wykonania i konstrukcji wyrobów. Tylko jedna powierzchnia wyrobu produkowanego tą metodą jest gładka (ma fakturę powierzchni formy). Druga powierzchnia ma fakturę zbliżoną do faktury stosowanego wzmocnienia. Grubość ścianek wyrobu, formowanych ręcznie z wielu warstw kompozytu, nie jest równomierna. W przypadku maty szklanej rozłożenie włókna szklanego w wyrobie jest przypadkowe, a więc własności wytrzymałościowe są anizotropowe. W przypadku stosowania tkanin lub włókna ciągłego można, w pewnym zakresie, uzyskać pożądaną kierunkowość tych własności.
Należy także pamiętać, że jakość wyrobu produkowanego metodą kontaktową w dużym stopniu zależy od dobrze przygotowanej technologii produkcji, przestrzegania zawartych w niej procedur i operacji kontroli i samokontroli, a także od rzemieślniczych umiejętności i solidności bezpośredniego wykonawcy wyrobu.
Do produkcji wyrobów z żywic chemoutwardzalnych stosowane jest często wspomaganie próżnią. W metodzie tej rozróżniamy technikę worka próżniowego oraz infuzji. Obie metody wykorzystują podciśnienie do formowania elementów. Ponieważ przy stosowaniu próżni ciśnienie działające na formy ogranicza się do ciśnienia atmosferycznego, metodę próżniową można realizować w stosunkowo prosty sposób. Aby to było możliwe musi istnieć hermetyczna forma o odpowiedniej konstrukcji, przystosowana do laminowania próżniowego. Taka forma powinna być szczelna i posiadać jak najmniejszą ilość podziałów. Szerokość wybiegów formy powinna wynosić minimum 100 mm. Wynika to z konieczności umiejscowienia sprzętu do wytworzenia próżni oraz uszczelnienia worka próżniowego, który zamyka lewą stronę laminatu (fot. 22).

21
Fot. 22  Laminowanie wspomagane próżnią

Dużą, jednostronną formę można pokryć przeponą foliową i uszczelnić na obrzeżu, do sztywnej formy małego wyrobu o zamkniętym kształcie można dodać elastyczny silikonowy worek, zaś w przypadku większej, sztywnej formy wykonuje się drugą część formy z kompozytów, w postaci cienkiej a więc dość elastycznej wkładki. Takie dwuczęściowe formy muszą mieć odpowiednie uszczelnienie na obrzeżu.
Formując wyroby kompozytowe ze wspomaganiem próżnią można uzyskać szereg korzyści, takich jak: lepsze przesycenie i odpowietrzenie wyrobu, wyższa zawartość włókien wzmacniających, bardziej gładka powierzchnia wewnętrzna wyrobu, możliwość lepszego wklejenia konstrukcyjnych wkładek (pianka, drewno, balsa itp.) czy hermetyzacja procesu (zmniejszenie emisji szkodliwych substancji).
Niekiedy, we wspomnianym wyżej rozwiązaniu z elastycznym workiem, można obok odpowietrzania próżniowego stosować także jego dociskanie do formy, za pomocą sprężonego powietrza, a więc ciśnieniem większym niż atmosferyczne.
Inną, szeroko stosowaną metodą produkcji wyrobów z kompozytów polimerowych jest metoda zwana RTM. W metodzie tej kompozycję żywicy wtłacza się pod niewielkim ciśnieniem do szczelnej, zamkniętej formy, w której wcześniej umieszczono włókniste wzmocnienie. Jej nazwa jest skrótem angielskiej nazwy Resin Transfer Moulding. Oprócz ciśnienia stosuje się niekiedy także próżnię wspomagającą zamykanie formy i zapewniającą lepsze przesycenie wzmocnienia. W metodzie RTM ciśnienia stosowane do formowania wyrobów są znacznie wyższe niż przy stosowaniu jedynie próżni, a dwustronne formy muszą być znacznie sztywniejsze i bardziej precyzyjne. Wpływa to pozytywnie na jakość i powtarzalność wyrobów.
W konstrukcji formy występuje forma główna, tzw. matryca, na której układa się wzmocnienie szklane, oraz przeciwforma, tzw. patryca, stanowiąca docisk matrycy. Już na etapie projektowania modelu należy uwzględnić odpowiednie pochylenia ścianek umożliwiające odformowanie, jak również kołnierze wybiegowe ok. 150 – 200 mm. Szerokość kołnierzy jest bardzo istotna ze względu na rozmieszenie kanałów rozprowadzania żywicy i kanałów pod uszczelki (dynamiczna oraz wargowa).
Zmechanizowanie procesu przesycania wzmocnienia zmniejsza pracochłonność procesu, a wykorzystanie ciepła egzotermicznej reakcji utwardzania żywic skraca cykl formowania wyrobów. Metoda RTM jest więc znacznie wydajniejsza i pozwala na produkcję wyrobów kompozytowych o wyższej jakości i większej powtarzalności niż metoda kontaktowa. Stosowane kompozycje żywic można w znacznie większym stopniu modyfikować przez dodatek wypełniaczy.
W innej metodzie formowania z zastosowaniem niewielkich ciśnień i stosunkowo prostego oprzyrządowania, tak zwanej metodzie prasowania na zimno, również wykorzystywane jest ciepło reakcji polimeryzacji spoiwa (dzięki czemu forma rozgrzewa się choć nie ma instalacji grzewczej), a przesycanie wzmocnienia wspomagane jest niewielkim ciśnieniem. Najczęściej jest to docisk odpowiednio wykonanego ciężkiego stempla.
Szczególne miejsce wśród metod wytwarzania kompozytów zajmują – metoda przeciągania (pultruzji) oraz metoda nawijania (filament winding) Wyroby produkowane tymi metodami mają wysoką zawartość włókna wzmacniającego, a jego ułożenie jest uporządkowane. Są to więc wyroby o bardzo wysokiej wytrzymałości, mającej kierunkowy charakter i dającej się programować. Przeciągane przez wannę z kompozycją żywicy włókno przechodzi następnie przez ustniki formujące i odciskające nadmiar żywicy, oraz strefę grzejną, gdzie następuje utwardzenie.

22
Fot. 23  Forma kadłuba łodzi

W metodzie nawijania, na obracający się rdzeń (będący w tym przypadku właściwie formą wyrobu), nawija się wiązka ciągłych włókien wzmacniających przeciąganych wcześniej przez wannę ze spoiwem. Przez odpowiednie zaprogramowanie ruchu rdzenia na specjalnym urządzeniu (nawijarce) uzyskuje się pożądane ułożenie włókien wzmacniających w wyrobie.
Pultruzja i nawijanie, ze względu na wysokie zmechanizowanie procesu przesycania i formowania, wyróżniają się także bardzo wysoką wydajnością.
Powyższy przegląd pokazuje jak różnorodne są techniki wytwarzania kompozytów polimerowych z żywicami chemoutwardzalnymi. Kontaktowa metoda formowania jest bardzo prosta, co pozwala na tanie i szybkie uruchamianie produkcji wyrobów o praktycznie dowolnych wymiarach. Może być ono opłacalne dla wyrobów produkowanych nawet w bardzo krótkich seriach. Kolejne omówione metody, kosztem skomplikowania oprzyrządowania i urządzeń produkcyjnych, a więc konieczności zwiększenia nakładów na uruchomienie produkcji, zapewniają uzyskanie różnorodnych korzyści dotyczących tempa, skali czy wydajności produkcji, lub też uzyskanie określonych cech i jakości wyrobów.

23
Fot. 24  Forma kadłuba łodzi

Własności wyrobu kompozytowego zależą od własności zastosowanych surowców, jego konstrukcji i technologii wytwarzania. Wraz ze wzrostem zastosowań elementów wykonywanych z kompozytów polimerowych nastąpił także duży rozwój metod produkcji tych elementów. Wybór właściwej metody wytwarzania pozwala uzyskać wymaganą skalę produkcji przy optymalizacji kosztów. Duża jest również współzależność między własnościami wyrobów a ich konstrukcją i technikami wytwarzania. Dlatego tak istotnym etapem produkcji laminatów jest wykonanie formy, która, dzięki właściwie dobranym surowcom i technologii, zapewni proste i optymalnie najkorzystniejsze tworzenie nowych wyrobów.


Urszula Czarnecka-Banaś, Piotr Stasiewicz, Joanna Mrówczyńska
BELLA Zakład Kompozytów Sp. z o.o.