Мембранный пресс

Мембранный пресс — это разновидность гидравлического пресса, в котором рабочим органом, передающим усилие на обрабатываемый материал, служит эластичная мембрана (диафрагма), деформируемая под давлением жидкости или газа. В отличие от традиционных прессов с жёстким пуансоном, мембранный пресс обеспечивает равномерное распределение давления по всей площади контакта, что позволяет формовать изделия сложной формы, склеивать многослойные материалы или выполнять тиснение без повреждения поверхности.

История

Первые упоминания о принципе мембранного прессования относятся к концу XIX века, когда в полиграфии начали использовать пневматические устройства для равномерного прижима бумаги при печати. Однако промышленное развитие мембранных прессов началось в 1930-х годах в связи с потребностями авиастроения. Компания «Рор» (Rohr, США) в 1940 году запатентовала конструкцию пресса для формовки алюминиевых обшивок самолётов с использованием резиновой мембраны, которая под давлением масла прижимала заготовку к матрице. Этот метод позволил изготавливать панели двойной кривизны без складок и трещин.

В СССР мембранные прессы начали внедряться в 1950-х годах на предприятиях авиационной и судостроительной промышленности. Первые отечественные образцы разрабатывались в ЦАГИ и НИАТ. К 1960-м годам технология распространилась на мебельное производство (для облицовывания шпоном) и на кожгалантерейную промышленность (для тиснения).

В 1970-х годах с появлением синтетических эластомеров (полиуретана, силикона) мембраны стали более износостойкими и термостойкими, что расширило область применения прессов до горячего прессования композиционных материалов. В XXI веке мембранные прессы используются в микроэлектронике для ламинирования фоторезистов и в производстве твёрдотопливных аккумуляторов.

Устройство и принцип действия

Основными элементами мембранного пресса являются:

• Станина — жёсткая металлическая рама, воспринимающая усилие.
• Камера давления — герметичная полость, в которой размещается мембрана.
• Мембрана — эластичная пластина из резины, полиуретана, силикона или фторкаучука толщиной от 3 до 30 мм.
• Матрица (форма) — жёсткая деталь с рельефом, повторяющим форму готового изделия.
• Система подачи рабочей среды — гидравлический или пневматический насос, клапаны, манометры.
• Нагревательные элементы (в горячих прессах) — электрические ТЭНы или паропроводы, встроенные в матрицу или камеру.

Принцип действия: заготовка (лист металла, ткань, плёнка, пакет шпона) укладывается на матрицу. Сверху на неё опускается камера с мембраной. В камеру подаётся рабочая среда (масло, вода, сжатый воздух) под давлением от 0,5 до 100 МПа. Мембрана, деформируясь, плотно облегает заготовку и прижимает её к матрице, копируя все неровности рельефа. После выдержки (от нескольких секунд до нескольких минут) давление сбрасывается, мембрана возвращается в исходное положение, и изделие извлекается.

Классификация

Мембранные прессы классифицируются по нескольким признакам.

По типу рабочей среды

• Гидравлические — используют масло или воду. Обеспечивают высокое давление (до 100 МПа) и точное регулирование. Наиболее распространены в промышленности.
• Пневматические — используют сжатый воздух. Давление редко превышает 2 МПа. Применяются для легких материалов (текстиль, бумага, пенопласт) и в лабораторных условиях.
• Вакуумные — заготовка прижимается к матрице атмосферным давлением после откачки воздуха из-под мембраны. Используются для формовки тонкостенных деталей из термопластов.

По температурному режиму

• Холодные — работают при комнатной температуре. Применяются для склеивания, тиснения, формовки при комнатной температуре.
• Горячие — оснащены нагревом матрицы или камеры до 250 °C. Используются для прессования термореактивных смол, ламинирования, сушки.

По конструкции

• Односторонние — мембрана давит на заготовку с одной стороны, матрица — с другой.
• Двусторонние — две мембраны сжимают заготовку с обеих сторон. Применяются для изготовления симметричных деталей (например, лыж, сноубордов).
• Многопозиционные — имеют несколько камер и матриц для одновременного прессования нескольких изделий.

Применение

Авиа- и судостроение

Мембранные прессы используются для формовки обшивок фюзеляжей, крыльев, панелей интерьера из алюминиевых и титановых сплавов. Метод позволяет получать детали сложной кривизны без последующей механической обработки. Например, на заводе «Авиастар» (Ульяновск) мембранные прессы применяются при изготовлении панелей для самолёта Ил-76.

Мебельная промышленность

В производстве мебели мембранные прессы применяются для облицовывания фасадов шпоном, пластиком, ПВХ-плёнкой. Вакуумные мембранные прессы позволяют оклеивать криволинейные поверхности (радиусные фасады, филёнки). В России около 70% мебельных фабрик используют мембранные прессы для постформирования.

Полиграфия и упаковка

В полиграфии мембранные прессы используются для тиснения фольгой, конгревного тиснения (создания выпуклого изображения), ламинирования. В упаковочной отрасли — для склеивания многослойных картонов и плёнок.

Микроэлектроника

В производстве печатных плат и полупроводниковых приборов мембранные прессы применяются для ламинирования сухих плёночных фоторезистов, прессования многослойных плат. Требования к чистоте и точности здесь максимальны — мембраны изготавливаются из силикона высокой чистоты.

Композитные материалы

При изготовлении изделий из углепластика, стеклопластика и кевлара мембранные прессы обеспечивают равномерное давление на препреги (пропитанные смолой ткани), что исключает образование пустот и расслоений. Используются в производстве лопастей ветрогенераторов, корпусов лодок, спортивного инвентаря.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Равномерное распределение давления по всей поверхности, включая криволинейные участки.
• Возможность формования деталей сложной формы без поднутрений.
• Отсутствие царапин и вмятин на лицевой поверхности (мембрана действует как амортизатор).
• Меньшая стоимость оснастки (матрицы) по сравнению с пресс-формами для литья под давлением.
• Возможность одновременной обработки нескольких заготовок.

Недостатки

• Меньшая производительность по сравнению с механическими прессами (цикл длится от 30 секунд до 5 минут).
• Ограниченный ресурс мембраны (от 500 до 10 000 циклов в зависимости от материала и температуры).
• Сложность герметизации камеры при высоких давлениях.
• Невозможность получения острых углов и глубоких вытяжек (минимальный радиус кривизны — около 3–5 мм).

Интересные факты

• В 1960-х годах в СССР был разработан мембранный пресс для формовки корпусов радиоприёмников из ударопрочного полистирола. Производительность достигала 120 деталей в час.
• Самая большая мембрана, использованная в промышленном прессе, имела площадь 12 м² и применялась для формовки панелей кузова автобуса «ЛиАЗ-677».
• В современной микроэлектронике давление в мембранных прессах для ламинирования фоторезистов не превышает 0,3 МПа, чтобы не повредить хрупкие кремниевые пластины.
• Мембраны из фторкаучука (витона) выдерживают температуру до 300 °C и используются в горячих прессах для композитов.

Источники

• Беляев В. А. «Технология листовой штамповки». — М.: Машиностроение, 1985.
• Кузнецов В. И. «Оборудование для переработки пластмасс». — Л.: Химия, 1987.
• ГОСТ 25215-82 «Прессы мембранные. Типы и основные параметры».
• Патент США № 2 219 312 (Rohr Aircraft Corp., 1940).
• Техническая документация ОАО «Тяжмехпресс» (Воронеж).