Контактное формование

Контактное формование — это технологический процесс изготовления изделий из композитных материалов, преимущественно на основе полимерных смол и армирующих наполнителей, при котором пропитка и уплотнение материала происходит вручную или с помощью простейших инструментов непосредственно в открытой форме. Данный метод является одним из старейших и наиболее доступных способов производства стеклопластиков, углепластиков и других полимерных композитов, не требующим сложного дорогостоящего оборудования.

История

Прототипы контактного формования известны с середины XX века, когда началось промышленное использование полиэфирных и эпоксидных смол. Первые экспериментальные образцы стеклопластиковых корпусов лодок, автомобильных деталей и архитектурных элементов изготавливались именно этим способом. В СССР технология активно применялась с 1960-х годов для производства корпусов маломерных судов, кузовов грузовиков, элементов сельскохозяйственной техники и строительных конструкций. Широкое распространение метода было связано с его простотой, низкими начальными затратами и возможностью изготовления крупногабаритных изделий без прессов и автоклавов.

С развитием химической промышленности и появлением новых типов смол (винилэфирных, фенольных) и армирующих материалов (стеклотканей, углеродных лент, кевлара) контактное формование осталось востребованным в сегментах мелкосерийного и единичного производства, а также в ремонтных и экспериментальных работах.

Технология процесса

Процесс контактного формования включает несколько последовательных этапов:

1. Подготовка формы. Используется матрица (форма), повторяющая контуры будущего изделия. Формы изготавливают из дерева, гипса, металла или стеклопластика. Перед началом работ на поверхность формы наносят разделительный слой (воск, поливиниловый спирт, специальные смазки) для предотвращения прилипания смолы.
2. Нанесение гелькоута. Для получения гладкой, стойкой к внешним воздействиям поверхности на форму наносят гелькоут — пигментированную смолу с добавками. После его частичного отверждения приступают к основному этапу.
3. Укладка армирующего материала. Стекломат, ткань, ровинг или другой наполнитель раскраивают по лекалам и укладывают в форму.
4. Пропитка смолой. Связующее (полиэфирная, эпоксидная или винилэфирная смола) смешивают с отвердителем и наносят на армирующий материал кистью, валиком или распылителем. Смола должна полностью пропитать наполнитель, вытеснив воздух.
5. Уплотнение (прикатка). С помощью специальных валиков (металлических, пластиковых или с насечкой) удаляют пузырьки воздуха, излишки смолы и уплотняют слои. Этот этап критически важен для качества изделия.
6. Отверждение. Форму с изделием оставляют при комнатной температуре или в термошкафу на время, необходимое для полной полимеризации смолы (от нескольких часов до суток).
7. Извлечение и обработка. Готовое изделие снимают с формы, обрезают облой, зачищают края, при необходимости наносят финишные покрытия.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Низкая стоимость оснастки. Формы могут быть изготовлены из недорогих материалов, что делает метод доступным для малого бизнеса и индивидуальных производителей.
• Возможность изготовления крупногабаритных изделий. Размер изделия ограничен только размерами формы и производственного помещения.
• Гибкость. Технология позволяет создавать сложные геометрические формы, в том числе с криволинейными поверхностями, поднутрениями и вставками.
• Малые серии. Экономически эффективен при выпуске от одного до нескольких десятков изделий.
• Ремонтопригодность. Повреждённые участки можно локально восстанавливать тем же методом.

Недостатки

• Высокая трудоёмкость. Процесс требует квалифицированного ручного труда, скорость производства невысока.
• Нестабильность качества. Качество изделия сильно зависит от навыков оператора, возможны дефекты (непропитки, пузыри, разная толщина).
• Ограниченные механические свойства. По сравнению с прессованием или вакуумной инфузией, контактное формование даёт более низкое содержание волокна (обычно 25–35% по массе) и большее количество дефектов.
• Вредные условия труда. Выделение стирола (из полиэфирных смол) и других летучих соединений требует мощной вентиляции и средств индивидуальной защиты.
• Ограничения по серийности. Для крупных серий (сотни и тысячи изделий) метод экономически невыгоден из-за высокой доли ручного труда.

Области применения

Контактное формование широко используется в отраслях, где требуется изготовление единичных или мелкосерийных изделий из композитов:

• Судостроение. Корпуса и палубы маломерных судов (лодок, катеров, яхт), элементы интерьера, рубки. В России этот метод применяется на многих верфях (например, «Рыбинская верфь», «Судостроительная компания «Аква»).
• Автомобилестроение и транспорт. Кузовные детали для тюнинга, кабины грузовиков, обтекатели, спойлеры, элементы интерьера автобусов и железнодорожных вагонов.
• Строительство. Архитектурные элементы (купола, колонны, барельефы), сантехнические изделия (ванны, душевые поддоны), опалубка, ёмкости для воды и химических реагентов.
• Спорт и отдых. Корпуса каноэ, байдарок, сноубордов, детали велосипедов, защитные шлемы.
• Промышленное оборудование. Корпуса фильтров, насосов, вентиляторов, детали химических аппаратов.
• Моделирование и прототипирование. Изготовление мастер-моделей, опытных образцов для авиационной, космической и оборонной промышленности.

Разновидности метода

Существует несколько модификаций контактного формования, улучшающих качество и производительность:

• Напыление (спрей-аппликация). Армирующий материал (рубленое стекловолокно) и смола подаются через специальный пистолет одновременно. Метод быстрее ручной укладки, но даёт меньшую прочность.
• Контактное формование с вакуумным мешком. После укладки и пропитки на форму надевают герметичный чехол, из-под которого откачивают воздух. Атмосферное давление уплотняет слои, улучшая пропитку и снижая содержание пустот.
• Формование с подогревом. Для ускорения отверждения и улучшения свойств смолы форму нагревают (электрическими тенами, горячей водой или в термокамере).

Материалы

Основные компоненты, используемые при контактном формовании:

• Смолы: полиэфирные (наиболее распространённые, недорогие), эпоксидные (более прочные и стойкие), винилэфирные (повышенная химическая стойкость), фенольные (огнестойкие).
• Армирующие наполнители: стекломат (нетканый материал из рубленых волокон), стеклоткань, углеродная ткань, арамидная ткань (кевлар), базальтовая ткань, ровинг (жгуты непрерывных волокон).
• Гелькоуты: пигментированные смолы для внешнего слоя, обеспечивающие цвет, глянец и защиту от УФ-излучения.
• Разделительные составы: восковые пасты, поливиниловый спирт, силиконовые смазки.

Безопасность и экология

Производство методом контактного формования связано с рядом опасностей. Полиэфирные смолы содержат стирол — токсичное летучее соединение, обладающее раздражающим и канцерогенным действием. Эпоксидные смолы и отвердители могут вызывать аллергические реакции и химические ожоги. Стекловолокно и углеродное волокно при резке и шлифовке образуют мелкую пыль, раздражающую кожу и дыхательные пути.

На предприятиях, применяющих контактное формование, обязательны: приточно-вытяжная вентиляция, использование респираторов, защитных очков, перчаток и спецодежды. Отходы (обрезки, застывшая смола) требуют специальной утилизации как промышленные отходы 3–4 класса опасности.

Перспективы развития

Несмотря на появление более автоматизированных методов (вакуумная инфузия, RTM, намотка), контактное формование сохраняет свою нишу благодаря низкому порогу входа и универсальности. Основные направления совершенствования технологии — разработка смол с пониженным содержанием стирола, внедрение роботизированных систем для нанесения и прикатки, использование биоразлагаемых разделительных составов. В России метод остаётся основным для многих предприятий малого и среднего бизнеса, производящих композитные изделия.

Источники

• ГОСТ Р 56680-2015 «Композиты полимерные. Изготовление образцов методом контактного формования. Общие требования».
• «Технология переработки пластмасс и композиционных материалов» / под ред. В. Н. Кулезнева. — М.: Химия, 2000.
• «Справочник по композиционным материалам» / под ред. Дж. Любина. — М.: Машиностроение, 1988.
• Материалы курса «Технологии производства изделий из композиционных материалов» (МГТУ им. Н. Э. Баумана).