METODA DE OBTINERE/ FABRICARE A MATERIALELOR COMPOZITE - CURS 12-13

1. FORMAREA PRIN TURNARE

1. FORMAREA PRIN TURNARE

- aplicabil ptr. sisteme polimerice termoreactive bicomponente: rasina polimerica

(RE, RPN, RVE) + ag. reticulare → sarjate cu pulberi anorganice (rar organice)

- se utilizeazã exclusiv matrite negative (in care se formeaza obiectul)

Etapele procesului:

- tratarea matriței cu demulant

- realizarea amestecului reactiv + ag. armare / umplutură (pulbere)

- degazarea naturalã sau acceleratã (sub vid) a amestecului reactiv

- turnarea amestecului reactiv în matriță + reticularea la rece

- scoaterea piesei din matriță

Dezavantaje:

- durata ridicatã a proceselor de reticulare (6-24 h)

- imposibilitatea utilizãrii agentilor de ranforsare fibrosi

- creșterea viscozității amestecului cu creșterea concentrației ag. armare

2. FORMAREA PRIN CONTACT

- procedeul cel mai utilizat de obtinere a pieselor laminate din materiale compozite

Matriţe- se utilizează de obicei matriţe deschise

pozitive (tată) (a) sau negative (mamă) (b).

Matriţa poate fi fabricată din:

- lemn

- material polimeric (termoplastic, termoreactiv sau elastomer, în unele

cazuri chiar compozit)

- argila / ipsos.

Uzual, NU se utilizează matriţe metalice datorită investiţiei ridicate pentru

produse unicat sau serii limitate (doar câteva produse).

- Pentru rezistențe mecanice comparabile în mai multe direcții, pliurile pot fi puse

la diferite unghiuri - proprietăți maxime doar pe direcția/direcțiile fibrelor

2. FORMAREA PRIN CONTACT - etape

Etapele procesului:

- tratare cu demulant (cearã petrolierã, alcool polivinilic,

solutie de cearã de albine).

- strat de “gel–coat” – de obicei acelasi tip de rasina, cu sau fara

pigment – pentru finisarea suprafetei

- succesiv, pliuri din tesãturã sau mat din fibre si rãsinã

catalizatã → pânã la atingerea grosimii dorite

- depunerea rãsinii catalizate se face cu pensula, rola, racleta sau

chiar cu pistolul de vopsire

- reticulare se poate face la rece sau poate fi acceleratã prin

încãlzire (uzual 40-80°C)

2. FORMAREA PRIN CONTACT - avantaje si dezavantaje

Avantaje:

- simplitatea tehnologiei

- posibilitatea executãrii unor piese agabaritice

- folosirea unor matrite din materiale ieftine

Dezavantaje:

- cadenta scãzutã

- grosimea relativ neuniformã a pieselor

- caracteristicile fizico-mecanice medii ale materialului compozit

- consumul mare de manoperã

- toxicitatea ridicatã a postului de lucru (în special vapori de stiren din RPN)

- calitatea slabã a suprafetelor pieselor.

3. FORMAREA DIN PRE-PREG-uri

Pre-preg-urile sunt semifabricate utilizate în obţinerea compozitelor ce

constau în fibre preimpregnate cu răşină polimerică (de obicei

epoxidică), ce conţine şi agentul de reticulare.

Pre-preg-urile pot fi considerate materiale compozite, nereticulate, dar

gata de reticulare fără a mai fi nevoie de a adăuga vreo componentă

După depunerea în/pe matriţă a numărului de straturi necesare, reticularea

se face în prezenţă de temperatură şi presiune.

Timpii şi temperaturile de reticulare sunt date

de producătorul prepreg-ului, în fişa tehnică.

3. FORMAREA DIN PRE-PREG-uri - avantaje si dezavantaje

Avantaje ale utilizarii pre-preg-urilor (față de formarea prin contact):

-Proprietăţi mecanice mai bune

-Calitate mai bună a pieselor/produselor fabricate:

- uniformitate a grosimii laminatului

- lipsa sau reducerea numarului bulelor de aer

- conținut de fibre mai mare (65-70%)

-Timpi de reticulare mai mici, uzual 2-4 ore

Dezavantaje:

-Metoda mai scumpă, reflectată în preţul laminatelor obţinute

-Timpul de stocare al prepregurilor limitat, dependent de temperatura de

stocare. Păstrarea la rece (chiar congelator) crește durata de stocare.

-Necesitatea sistemelor de încălzire în vederea reticulării (min 140℃) –

etuvă, autoclavă, presă cu încălzire.

4. FORMAREA IN SAC

constituie o îmbunãtãtire substantialã a metodei formãrii prin contact

- se folosesc in principiu tesãturi preimpregnate, dar si laminate rezultate prin formare

prin contact manuala

- trei variante tehnologice:

- în vid - sub presiune - combinat vid-presiune.

Etapele procesului

- pliurile din tesãturã preimpregnatã sunt asezate pe forma tratata cu demulant

- se aplicã o folie elasticã si rezistentã (Elastomer, APV, PE)

- marginile foliei sunt fixate si etansate cu un cadru.

- se videazã spatiul dintre folie şi matrita / se aplica presiune cu aer comprimat

- incalzire pentru reticularea / polimerizarea matricei polimerice

Procedeul de formare sub vid

- matriţe negative (concave) / matriţe pozitive (convexe)

5. FORMAREA IN SAC - avantaje si dezavantaje

Avantaje:

- calitatea deosebitã a suprafetelor pieselor

- eliminarea aproape completã a incluziunilor de aer

- controlul riguros al raportului agent de ranforsare/matrice polimericã

- caracteristici fizico-mecanice superioare

Dezavantaje:

- cadenta redusã

- costurile ridicate ale materiilor prime

- in cazul pieselor cu formă complexă, este posibil ca sacul sa nu se

muleze perfect pe forma matriţei.

- acest lucru se poate întâmpla şi în cazul mai simplu al colţurilor /

unghiurilor sau şanturilor în profilul matriţei.

5. FORMAREA IN SAC

In unele cazuri, in matrita se aseaza doar pliurile de tesatura,

rasina fiind ulterior aspirata in momentul in care se formeaza vidul in sac

6. FORMAREA PRIN PULVERIZARE SIMULTANA

- reprezintã o variantã semiautomatizatã a formãrii prin contact

- pulverizarea simultana a rasinii, ag. de reticulare si ag. de ranforsare (fibre

scurte)

- ag. de ranforsare este alimentat sub formã de roving (fibra lunga) → in pistolul de

pulverizare, un dispozitiv debiteazã fibrele de sticlã la lungimea doritã,

înainte de expulzarea acestora.

- se utilizeazã matrite deschise tratate

cu agenti de demulare

Modul în care se face amestecarea rășină / agent de reticulare

(catalizator) / fibre este foarte important.

- nu trebuie să rămână zone de rășină fără agent de reticulare (catalizator),

acele zone nu vor reticula. Fascicolele trebuie să aibă aceeași lățime

- nu trebuie să existe fibre neumectate în procesul de pulverizare→ nu

vor adera la suprafața țintă

6. FORMAREA PRIN PULVERIZARE SIMULTANA - avantaje si dezavantaje

Avantaje:

- cadenta ridicatã a formãrii

- controlul riguros al raportului matrice polimericã/agent de ranforsare

- posibilitatea obtinerii de piese mari (piscine, ambarcatiuni, cazi)

- productivitate mai mare decât formarea prin contact (viteză mare de aplicare)

Dezavantaje:

- imposibilitatea utilizãrii tesãturilor în calitate de agent de ranforsare

- caracteristici fizico-mecanice relativ scãzute ale pieselor

- grosimea uniformă a stratului depinde de experienţa operatorului uman

- toxicitatea foarte ridicatã a mediului de lucru

- realizarea de piese având numai o suprafatã finisatã.

6. FORMAREA PRIN PULVERIZARE SIMULTANA - aplicatii

Aplicații:

- obiecte de mari dimensiuni (ex. piscine, corpul ambarcaţiunilor)

- plăci de acoperişuri

- straturi de acoperire şi rigidizare (de exemplu căzi).

7. FORMAREA CORPURILOR DE REVOLUTIE PRIN

CENTRIFUGARE

- materialul de ranforsare este depus pe peretii unei matrite circulare, rotative – fibre

scurte

- la viteze de 3000-4000 de rotatii/minut se introduce sistemul reactiv, care impregneazã

agentul de ranforsare sub actiunea fortei centrifuge

- polimerizarea matricei polimerice se realizeazã prin încãlzirea matritei în rotație.

Avantaje:

- omogenitatea materialului compozit

- simplitatea

- posibilitatea fixãrii unor insertii metalice în piese

Dezavantajul principal: asezarea dificilã a materialului

polimeric / fibros în matritã.

FORMAREA PRIN INJECTIE SUB VID (RRIM)

- sunt utilizate matrite metalice perfect calibrate.

- materialul de ranforsare se aseaza inainte de fixarea celor douã semimatrite

- ansamblul este vidat → rãsina este introdusã fortat (aspirata)

Avantaje:

- eliminarea aproape completã a bulelor de aer din matricea polimericã

→ piese cu caracteristici fizico-mecanice ridicate

Dezavantaje:

- matrite sofisticate → scumpe

- cadenta redusã

- se pot realiza numai piese de revolutie

sau cu o configuratie simplã

FORMAREA PRIN PRESARE LA RECE

- variantã îmbunãtãtitã a procedeului pulverizãrii simultane

- pe una din semimatrite se depune prin pulverizare simultanã agentul de ranforsare

(roving tocat) si matricea polimericã

- se aseazã contramatrita si întreg amestecul este mentinut sub presiune pânã la întãrirea

sistemului reactiv.

- se poate face o usoara încãlzire pentru accelerarea procesului.

Avantaje:

- posibilitatea obtinerii unor serii mari de piese identice cu ambele fete finisate

- pierderi reduse de material.

Dezavantaje:

- necesitatea folosirii unor utilaje costisitoare (presã de 10-20 atm.)

- dimensiunile pieselor sunt limitate de dimensiunile platanelor presei.

FORMAREA PRIN PRESARE LA CALD

- se utilizeaza numai matrite închise si prese cu platane calde

- se utilizeazã frecvent tesãturile preimpregnate (prepreguri)

- grosimea piesei se regleazã prin numãrul de pliuri (straturi) de tesãturã preimpregnatã

- dupã efectuarea tratamentului termic, matrita este lãsatã sã se rãceascã sub presiune.

Avantaje:- caracteristicile fizico-mecanice deosebite

- posibilitatea realizãrii unor piese complicate

Se pot utiliza si amestecuri rasina/fibre scurte, cu continut ridicat de

fibre (viscozitate mare)– pre-mix-uri

FORMAREA PRIN COMPRESIE CU TRANSFER

pretabila doar compozitelor cu agenti de umplutura tip pulberi sau

amestecuri rasina/fibre scurte– pre-mix-uri

• Pre-mix-ul se incarca intr-un cilindru-

rezervor, de unde printr-o compresie cu piston

este impins catre cavitatile matritei (cu forma

piesei finale)

FORMAREA PRIN COMPRESIE CU TRANSFER

• Exista posibilitatea insertiei de piese / componente metalice, prin

asezarea acestora in pozitia corespunzatoare inainte de “injectarea”

compozitului

FORMAREA PRIN PULTRUZIUNE

- procedeul prin care se obtin compozite de forma unor profile lungi, cu o

forma bine definita a sectiunii

- uzual se obtin profile de tip U, T, Y, tuburi / bare, dar si profile cu o

geometrie mai complicata

FORMAREA PRIN PULTRUZIUNE

Procesul consta in:

-trecerea firelor materialului de armare (fibre lungi, roving) printr-o baie de

rasina ce conduce la impregnarea acestora

-trecerea printr-o filiera ce da forma dorita a profilului. Se folosesc filiere

prevazute cu sistem de incalzire, care asigura atat profilarea cat si

(pre)reticularea compozitului

Intregul sistem este angrenat de un mecanism de tractiune ce este situat la

capatul liniei de fabricatie, inaintea sistemului de taiere / debitare.

FORMAREA PRIN PULTRUZIUNE - fibre/rasini

Fibre:

- uzual se utilizeaza fibre de sticla si fibre carbon, mai rar fibre aramidice

- alimentarea cu fibre este asigurata de un numar mare de role

- in unele cazuri se pot utiliza benzi de mat-uri sau tesatura de fibre pentru

imbunatatirea proprietatilor mecanice si pe directiile transversale

Rasini:

- in majoritatea cazurilor se utilizeaza RPN

- mult mai rar se utilizeaza rasini epoxidice,

datorita reactivitatii mai scazute

- include agentul de reticulare

Straturi de acoperire de suprafata (surfacing veil):

- imbunatatirea aspectului suprafetei compozitului

Importanta capitala au doi parametri (corelati):

- temperatura filierei

- viteza de circulatie a fibrelor.

FORMAREA PRIN PULTRUZIUNE - avantaje si dezavantaje

Avantajele procedeului sunt:

- posibilitatea realizãrii de profile complicate

- caracteristici fizico-mecanice înalte ale pieselor

- continut ridicat de fibre– pana la 75% rigiditate mare a pieselor

- productivitatea ridicata

- costuri de operare scazute (instalatie automatizata)

- procent mic de deseuri

Dezavantajele procedeului:

- investitie ridicata

- limitare la obtinere de profile (sectiune transversala)

FORMAREA PRIN PULTRUZIUNE - !!

In anumite cazuri este posibila preincalzirea

materialului inainte de intrarea in filiera, uzual cu

radiatii infrarosii sau prin aer cald.

Viteza de lucru: 0.6-1.5 m/min

Temperatura de lucru: 100 si 130ºC.

FORMAREA CORPURILOR DE REVOLUTIE PRIN

RASUCIRE FILAMENTARA

- fibre continue lungi (sub formă de monofilament, roving, bandă) sunt impregnate cu

răşină polimerică și depuse în mod continuu pe o mandrină rotativă → rezultat:

obiecte goale la interior

- în momentul depunerii pe mandrină fibrele trebuie tensionate → bune performanţe

mecanice pentru obiectul finit

- reticularea rãsinii se face prin

introducerea tamburilor în etuvã.

- procedeu semicontinuu

FORMAREA CORPURILOR DE REVOLUTIE PRIN

RASUCIRE FILAMENTARA - metode

Există 2 variante principiale în funcţie de modul de umectare cu răşină a fibrelor:

- Metoda umedă: fibrele sunt mai întâi imersate într-o baie de răşină lichidă, ce

conţine şi agentul de reticulare, acestea umectându-se, după care sunt depuse pe

mandrina rotativă

- Metoda uscată: utilizează fibre preimpregnate, nu mai este necesară baia de răşină

Cea mai utilizată este metoda umedă, aceasta prezentând ca avantaje:

- mai mare flexibilitate în alegerea fibrelor

- flexibilitate în alegerea şi optimizarea (modificarea) compoziţiei amestecului

răşină/agent de reticulare

- timp mai scurt de înfăşurare

- mai bună aderență a fibrei umectate de tambur / fibrele depuse anterior

- un preţ final mai scăzut pentru produs

FORMAREA CORPURILOR DE REVOLUTIE PRIN

RASUCIRE FILAMENTARA - !!

La o acoperire completă se poate spune că s-a realizat un strat

Numărul final de straturi depinde de grosimea dorită a

peretelui sau de rezistenţa necesară pentru acesta.

De multe ori se depun straturi alternative ±θ / 90º etc

FORMAREA CORPURILOR DE REVOLUTIE PRIN

RASUCIRE FILAMENTARA - avantaje si dezavantaje

Avantaje:

- înaltã rezistentã mecanicã a pieselor

- posibilitatea de a mãri proportia de agent de ranforsare pânã la circa 85%

- posibilitatea obtinerii unor piese de volume foarte mari

Dezavantaje:

- posibilitatea realizãrii numai a corpurilor de revolutie

- costurile mari ale pregãtirii fabricatiei

- cadenta scãzutã