Журнал "Композитный Мир" № 6 (81) 2018 / Composite World magazine # 6 (81) 2018

Колонка редактора Научно-популярный журнал «КОМПОЗИТНЫЙ МИР» #6 (81) 2018 Дисперсно- и непрерывнонаполненные композиты: стеклокомпозиты, углекомпозиты, искусственный камень, конструкционные пластмассы, пресс-формы, матрицы, оснастка и т. д. — ТЕХНОЛОГИИ, РЕШЕНИЯ, ПРАКТИКА! Регистрационное свидетельство ПИ № ФС 77-35049 Министерства РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций от 20 января 2009 г.

ISSN — 2222-5439 Учредитель: ООО «Издательский дом «Мир Композитов» www.kompomir.ru Директор: Сергей Гладунов gladunov@kompomir.ru Главный редактор: Ольга Гладунова o.gladunova@kompomir.ru Вёрстка и дизайн: Влад Филиппов По вопросам подписки: podpiska@kompomir.ru По вопросам размещения рекламы: o.gladunova@kompomir.ru Advertising: Maria Melanich maria.melanich@kompomir.ru marketing@kompomir.ru Номер подписан в печать 29.11.2018 Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» Тираж 3000 экз. Цена свободная Адрес редакции: 190000 г. Санкт-Петербург ул. Большая Морская, дом 49, литер А помещение 2Н, офис 2 info@kompomir.ru * За содержание рекламных объявлений редакция ответственности не несет. При перепечатке материалов ссылка на журнал «Композитный Мир» обязательна.

www.instagram.com/kompomir www.vk.com/club10345019

Дорогие друзья! Номер, который Вы читаете, завершает для редакции 2018 год и поэтому я считаю вполне уместным подвести итоги уходящего года уже сейчас. Каждый прошедший год складывается из больших и малых событий, моментов радости и огорчений, вдохновения и повседневной рутины. И в каждом всегда будут присутствовать успехи, неудачи и надежды. Надежды, которые перейдут в год грядущий. Главным успехом уходящего года для меня было то, что я отметила свой личный юбилей — десять лет моей работы в журнале «Композитный Мир». Журнал стал большой частью моей жизни, моим кругом общения, моей возможностью для самореализации. Неудачи, а скорее, разочарования уходящего года, связаны с всё большим ощущением нарастающей изоляции и, как следствие, с перспективой всё большего технологического отставания. 26 ноября NASA успешно посадило на Марс аппарат «Инсайт». Это уже девятая американская космическая миссия на поверхности Красной планеты.

25 ноября глава Счетной палаты Алексей Кудрин заявил на телеканале «Россия-1», что «Роскосмос» является рекордсменом по масштабам финансовых нарушений. По его словам, речь идет о миллиардных хищениях. Как говорится, почувствуйте разницу! Ну, а надежда, которую я беру с собой в год наступающий — связана со всеми, кто участвует в создании нашего журнала; нашей редакцией, нашими авторами и, конечно, нашими читателями, словом со всеми, у кого хватает терпения, усидчивости, желания, создавать и читать «Композитный Мир». Будьте счастливы в новом году, дарите подарки, тем более, что теперь они могут быть и из композитов (страница 7).

Читайте с пользой!

C уважением, Ольга Гладунова

www.facebook.com/groups/1707063799531253

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

3

Содержание НОВОСТИ

8

ОТРАСЛЬ Подготовку кадров для отрасли композитных материалов обсудили на отраслевом мероприятии

20

СОБЫТИЕ

В Сколково состоялся VI Форум «Композиты без границ»

22

Итоги III Петербургского Международного Научно-промышленного Композитного Форума

26

К успеху с легкостью! Итоги выставки Composites Europe 2018

28

Композиты СНГ — по пути к цифровой экономике

32

МАТЕРИАЛЫ

Инновационная матричная система для производства форм и оснастки

38

Обзор и классификация разделительных составов. Секреты эффективного применения

40

ОБОРУДОВАНИЕ Современные мобильные системы неразрушающего контроля изделий из композитных материалов

54

ТЕХНОЛОГИИ МИЦ «Композиты России» разработал компьютерную систему проектирования пресс-форм для литья термопластов

58

Композиты нового поколения сами сообщат о повреждениях

60

НАУКА Способы верификации проектных решений, полученных численными методами, при создании судов и их крупных элементов из композиционных материалов с позиций обеспечения их характеристик долговечности 6

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

62

Российские новости Новая реплика первого советского серийного самолёта-амфибии «Ш-2»

8 ноября 2018 года на «Средне-Невском судостроительном заводе» (СНСЗ, входит в состав ОСК) в торжественной обстановке вывели из цеха реплику первого советского серийного самолёта-амфибии «Ш-2». Мероприятие было приурочено к 120-летию со дня рождения главного конструктора самолёта Вадима Борисовича Шаврова. К нетипичной для корабелов работе «Средне-Невский судостроительный завод» приступил в 1998-м году. Тогда к руководству предприятия с просьбой оказать помощь в создании лодки-фюзеляжа обратилась группа энтузиастов во главе с военным лётчиком, подполковником запаса ВВС Александром Селезнёвым. Руководство завода — на тот момент предприятие возглавлял Виктор Павлович Пылёв — откликнулось на просьбы общественников. Для постройки самолёта был выделен производственный участок. Началу работ над воссозданием легендарного самолёта-амфибии препятствовало отсутствие чертежей и технической документации. Специалисты завода вели поиск в архивах, исследовали оригинальный образец самолёта, выставленный в Российском государственном музее Арктики и Антарктики, использовали полученную информацию для реверс-инжиниринга. Часто во время строительства участникам приходилось внедрять собственные технические решения в конструкцию будущего самолёта. Для выполнения необходимых расчётов было задействовано конструкторское бюро завода. Через некоторое время работу средне-невских судостроителей над самолётом-амфибией пришлось прекратить. Возобновить работу над проектом удалось только спустя 12 лет. Несмотря на трудности, Александру Селезнёву и его единомышленникам удалось сохранить в целости фюзеляж самолёта и разработанную техническую документацию. Общими усилиями энтузиастов-общественников были изготовлены крылья самолёта, завершены работы по фюзеляжу. По чертежам собственной разработки была изготовлена и смонтирована топливная система. Строящийся самолёт был оснащён двигателем и трёхлопастным углепластиковым винтом. В 2017 году самолёт-амфибия получил новое название «Ш-2.017 бис». Самолёт-амфибия «Ш-2.017 бис» не является точной копией легендарного полутораплана. В отличие от оригинала, новый самолёт обладает более мощным двигателем и увеличенным фюзеляжем для большей остойчивости на воде. Кроме прочего, при строительстве корпуса были использованы современные материалы. В канун мероприятия самолёт был окрашен в белый цвет, подобно оригинальной окраске «Ш-2». Участники церемонии стали свидетелями запуска двигателя самолета и его первого руления. Руководитель проекта Александр Селезнёв рассчитывает в зимний период совместно со специалистами «СНСЗ» завершить достроечные работы самолёта и в условиях цеха проверить работоспособность всех систем. Весной 2019-го года планируется провести полномасштабные испытания нового самолёта-амфибии, первым этапом которых станет спуск на воду. www.snsz.ru

Российские новости Малый ракетный корабль «Буря», построенный с применением композитов, спущен на воду Малый ракетный корабль «Буря» проекта 22800 «Каракурт» в конце октября 2018 г. сошел со стапелей судостроительного завода «Пелла» в Санкт-Петербурге. На торжественной церемонии присутствовал заместитель начальника управления кораблестроения российского флота Михаил Краснопеев. Он отметил, что новейшая «Буря» пойдет на испытания в 2019 году, а в 2020 году его должны передать военным. Малый ракетный корабль «Буря» и аналогичные малые ракетные корабли (МРК) отличаются скромными размерами: водоизмещение — всего 800 тонн, длина — около 67 метров, а ширина — примерно 11 метров. Но это скорее полюс, так как чем меньше корабль, тем хуже его видно на радарах. Тем более что проект 22800 построен с применением «стелс-технологий»: ломанные формы корпуса и надстроек, без прямых углов, а также широкое применение в конструкции корабля радиопрозрачных композитных материалов. При этом инженеры конструкторского бюро «Алмаз» смогли сделать маленький корабль хорошо

вооруженным. МРК несет 8 пусковых установок ракет «Калибр» и артиллерийскую установку. А от нападения с воздуха «Буря» и ей подобные защищены морской версией зенитного ракетно-пушечного комплекса «Панцирь». www.tvc.ru

Инновационное уличное освещение из композитных материалов применили на Алтае Композитные опоры с внутренней подсветкой установили на одном из бульваров города Бийска (Алтайский край). Такое решение является принципиально новым в уличном освещении России. Опора изготовлена из полупрозрачного стеклопластика, внутри которой находятся световые элементы, что позволяет конструкции светиться по всей высоте, но при этом сохраняются все достоинства композитных опор по сравнению с аналогичными изделиями из бетона и металла — прочность, легкость, устойчивость к коррозии. Разработку представили специалисты предприятия

АО «НПП «Алтик», входящего в Ассоциацию НП «Алтайполикомпозит». «Алтик» производит изделия из композитных материалов, развивает технологию изготовления стеклопластиковых труб различного назначения методом косослойной продольно-поперечной намотки и целого семейства иных изделий из стеклопластика, не имеющих аналогов в России и в мире. Инновационная продукция может применяться для уличного освещения дорог, парков, пешеходных зон и других объектов. www.altairegion22.ru

ЦАГИ испытал самолёт L-410 на композитных поплавках Специалисты Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) завершили работу по формированию гидродинамической компоновки и испытаниям моделей поплавкового варианта легкого многоцелевого самолета L-410UVP-E20. С помощью расчетных методов ученые ЦАГИ разработали внешние обводы поплавков и общую гидродинамическую схему гидросамолета. Композитные технологии производства поплавков позволили использовать при проектировании сложные пространственные поверхности, которые обеспечили высокие гидродинамические качества поплавков в сочетании с достаточной для эксплуатации на внутренних водоемах мореходностью, низким уровнем брызгообразования и удовлетворительной шириной области устойчивого глиссирования. Прогнозируемые характеристики были подтверждены буксировочными и катапультными испытаниями

моделей гидроплана. «По результатам исследований для снижения расчетных нагрузок и увеличения курсовой устойчивости на поплавки установили накладки, увеличивающие поперечную килеватость днищ в кормовой оконечности, и гидродинамические стабилизаторы курса. Контрольные испытания подтвердили эффективность проведенной доработки», — рассказала начальник отдела гидродинамики амфибийных летательных аппаратов ФГУП «ЦАГИ» Лариса Гонцова. Испытания показали, что самолет на поплавках имеет близкие к расчетным характеристики и не требует от пилотов исключительного мастерства при маневрировании и выполнении взлетов и посадок. Предполагается, что новый самолет может найти широкое применение в региональных и местных авиационных транспортных системах страны. www.tsagi.ru КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

9

Российские новости «Ленсвет» в качестве пилотного проекта установил несколько опор из композитных материалов в Кронштадте

СПб ГУП «Ленсвет» в качестве пилотного проекта установил несколько опор из композитных материалов в Кронштадте. С начала октября в Кронштадте проходят тестирование опоры освещения из композитных материалов высотой 7,5 и 10 метров. Производитель стеклопластиковых опор освещения, проходящих апробацию, — «Завод стеклопластиковых труб» из Казани.

Цель пилотного проекта — подтверждение заявленных производителем технических характеристик. По окончании шестимесячного эксплуатационного периода представителями технического совета СПб ГУП «Ленсвет» будут даны рекомендации по применению испытанных композитных опор в наружном освещении города. Учитывая все особенности композитного материала, заявленные производителем, применение опор освещения позволит позаботиться о надежности и безопасности проложенных линий электроснабжения и максимально достичь поставленных задач в обслуживании систем наружного освещения Санкт-Петербурга. Деятельность СПб ГУП «Ленсвет» характеризует постоянное стремление к поиску и внедрению инновационных технологических решений, оборудования в систему наружного освещения Санкт-Петербурга для создания более безопасной и надежной городской инфраструктуры. www.lensvet.spb.ru

Для Куршской косы спроектируют 56-километровую велосипедную дорожку

В составе покрытия планируется применять базальтовое волокно и композитную арматуру. Велодорожка будет пролегать по территории национального парка «Куршская коса». Земельный участок

под будущую велосипедную трассу уже выделен и поставлен на кадастровый учёт, также определён маршрут. Ширина дорожки составит около 3 метров, длина — 56 километров. Проектные работы будут начаты уже в 2018 году. Для изготовления покрытия велотрассы намерены использовать различные материалы, в том числе базальтовое волокно и стеклопластиковую арматуру, как рассказал директор национального парка Анатолий Калина РБК. Напомним, ранее преимущества применения композитных материалов для устройства дорожных покрытий изучала и тестировала в Перми группа учёных, получив позитивные результаты на фоне снижения стоимости материалов. www.basalt.today

«Примтеплоэнерго» заменит около 400 канализационных люков в Приморском крае в 2019 году Краевое предприятие «Примтеплоэнерго» заменит около 400 чугунных водопроводно-канализационных люков на композитные в 20 муниципалитетах Приморского края в 2019 году. «В первую очередь решается вопрос по замене и установке антивандальных люков именно там, где орудовали сборщики металла. Работа эта большая и долгосрочная. В период с 2016 по 2018 годы заменено 346 люков, на следующий год планируется замена уже 400», — отметил начальник отдела

10

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

водоснабжения и водоотведения предприятия Алексей Почекунин. По его словам, протяженность водопроводных сетей, обслуживаемых компанией, составляет 780 км, канализационных — 412 км. Как и все водоснабжающие организации, «Примтеплоэнерго» сталкивается с проблемой воровства люков, изготовленных из чугуна и стали. www.tass.ru

Материалы для производства композитных изделий: Смолы и отвердители

Разделительные составы

• Полиэфирные и винилэфирные смолы • Эпоксидные смолы • Гелькоуты • Трудногорючие решения • Наполнители и пигменты • Отвердители

• Грунты для форм • Очистители для форм • Полупостоянные разделители

Армирующие материалы

• Смолы и гелькоуты • Скинкоуты • Модельные пасты • Закладные элементы и расходники

• Ровинги • Стекломаты и вуали • Стеклоткани • Углеткани • Мультиаксиальные ткани • Препреги

Оборудование для RTM и инфузии

ООО Банг и Бонсомер, Москва

Материалы для производства оснастки

Адгезивы и клеи • Полиэфирные пасты • ММА клеи • Крепёжные элементы

ЧАО Банг и Бонсомер, Киев

ООО Банг и Бонсомер, Москва Отдел композиционных материалов Отдел композиционных материалов Отдел композиционныхТелефон: материалов Телефон: +7 (495) 258 40 40 доб. 116 +380 44 461 92 64 Факс: +7 (495) 258 40 39 Факс: +380116 44 492 79 90 Телефон: +7 (495) 258 40 40 доб. e-mail: rus-composites@bangbonsomer.com e-mail: composites@bangbonsomer.com e-mail: rus-composites@bangbonsomer.com

Российские новости В Пензе спроектировали и построили сверхлегкий самолет Первый испытательный полет уникального планера прошел в Подмосковье. Испытатель смог совершить на нем «Петлю Нестерова». Планер создан пензенским предприятием «Авиастроитель». Машина имеет массу менее 115 килограммов и, таким образом, не подлежит государственной регистрации, а для его управления не требуется получение пилотской лицензии. Такая лёгкость самолета достигнута благодаря использованию при изготовлении самолета углепластика. Кроме того, планер является безмоторным. Он оснащен двумя турбореактивными двигателями с тягой по 30 килограммов. Планер имеет разборную конструкцию, так что при желании воздушное судно можно с легкостью загнать в гараж. Планер является самовзлетным, набирает высоту до тысячи метров с вертикальной скоростью 8 м/с. При этом, на высоте от 500 метров на нем можно выключить двигатели, и машина продолжит парить над землей с помощью восходящих потоков воздуха. При этом в средней полосе России полет судна может продлиться до 8 часов. Данная разработка является усовершенствованной моделью планера АС-4-115, также собранного в пензенском «Авиастроителе», но из стеклопластика. www.1pnz.ru

РФПИ и Ferretti договорились о создании СП для локализации производства морских судов Российский фонд прямых инвестиций (РФПИ) и итальянская компания Ferretti договорились о создании совместного предприятия (СП) для локализации в России производства морских судов, в том числе из композитных материалов. Соответствующий документ между сторонами был подписан в рамках визита председателя совета министров Италии Джузеппе Конте в Россию. Обмен папками состоялся по итогам переговоров Конте и президента Российской Федерации Владимира Путина. «Договорились о совместной реализации инвестиционных проектов в России. Особое внимание будет уделяться научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам с углеродным волокном и передовыми композитными материалами», — говорится в сообщении РФПИ. Стороны намерены создать СП для локализации производства специализированных профессиональных судов с корпусами, изготавливаемыми из композитных материалов, стали или алюминия. Такие суда могут использоваться для поисково-спасательных операций, патрулирования, контроля за санитарно-эпидемиологической ситуацией, противодействия преступности и борьбы с терроризмом, отмечают в РФПИ. www.rdif.ru

Российские новости Ростех создал уникальную облегченную конструкцию для космических солнечных батарей ОНПП «Технология» холдинга «РТ-Химкомпозит» Госкорпорации Ростех разработало углепластиковую силовую конструкцию для новейшего солнечного модуля перспективного космического аппарата. Благодаря использованию композитных материалов, конструкция является самой легкой в мире по удельной массе, а ее высокая прочность обеспечит защиту фотоэлементов модуля от космических частиц, радиации и космического мусора. Углепластиковая панель, в которую будут установлены солнечные батареи, существенно легче аналогов, что делает ее на 30% эффективнее в использовании и в несколько раз дешевле существующих аналогов. Максимальная удельная масса изделия в сборе составила 1,5 кг/м2, что является лучшим показателем в мире. Образец изделия успешно прошел автономное тестирование и в настоящее время задействован в комплексных испытаниях. «Для космических разработок эргономичность и вес изделия играют ключевую роль. Каждый дополнительный килограмм веса снижает эффективность и время работы космических аппаратов. За счет использования уникальных композитных материалов наши разработчики смогли создать легкую и при этом очень прочную конструкцию», — заявил исполнительный директор Госкорпорации Ростех Олег Евтушенко. Композитная конструкция разработана Обнинским научно-производственным предприятием «Технология» им. А. Г. Ромашина в партнерстве с НПП «ТАИС». В свою очередь, специальные солнечные элементы

являются совместной разработкой Группы компаний «Хевел» и НПП «ТАИС». Для справки: ОНПП «Технология» — одно из передовых инновационных предприятий в области разработки и производства композиционных материалов, лидер по объему производства изделий из них в России. «Технология» занимает треть российского рынка композитов, входя в пятерку ведущих предприятий отрасли в мире. Объем НИОКР и поставок серийной продукции из полимерных композиционных материалов (ПКМ) ежегодно увеличивается не менее чем на 20% и составляет примерно 20 тонн углепластиковых конструкций в год. Наибольший объем изделий из ПКМ производится для аэрокосмической отрасли. www.rostec.ru

Воронежский «Ламплекс композит» начнет проектирование второго этапа своего производства летом 2019 года Якорный инвестор воронежской Особой Экономической Зоны, которая расположится на площадях Масловского индустриального парка, ООО «Ламплекс композит» начнет проектирование второго этапа вертикально интегрированного комплекса по производству фольгированных диэлектриков, технических ламинатов и препрегов летом 2019 года, сообщили в компании. Там отметили, что второй этап проекта предполагает организацию производства электроизоляционных и технических стеклотканей. Эта продукция — основной материал для выпуска диэлектриков, технических ламинатов и препрегов. На производстве будет установлено более 100 станков. Проектная мощность второй очереди — 10 млн. м2 в год на начальном этапе и более 30 млн кв. м в год в перспективе. Основная часть будет использоваться для собственного производства, а порядка 7 млн. м2 ежегодно планируется реализовывать потребителям в России и странах СНГ. Начать запуск производства планируется в конце 2019 — начале 2020 года. «Собственное производство стеклоткани для вы-

пуска базовых материалов — диэлектриков, препрегов и технических ламинатов — призвано снизить себестоимость конечной продукции и обеспечить нас сырьем. Основная проблема в том, что сегодня в России стеклоткани необходимых технических характеристик не производятся. Организовав выпуск сырья самостоятельно, мы исключим возможность перебоев с поставками», — отметил инвестор проекта, председатель совета директоров ГК «Черноземье» Андрей Благов. Напомним, что в настоящее время реализуется первый этап проекта, который предполагает выпуск диэлектриков, технических ламинатов и препрегов. Планируется организовать производство 714 тыс. м2 фольгированных диэлектриков и технических ламинатов в год, а также 5 млн. м2 препрегов. Второй этап — организация производства стеклосеток. Третий — производство стекловолокна и стеклонити (сырье для продукции второго этапа) мощностью 10 тыс. тонн волокна в год. www.abireg.ru КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

13

Мировые новости В Дубае полицейские будут патрулировать улицы на летающих мотоциклах

В скором времени на улицы Дубая выйдут полицейские, основным транспортном которых станут летающие мотоциклы Hoverbike S3 2019.

Транспортное средство представляет собой электробайк с вертикальным взлетом, который способен зависать в воздухе. Транспорт будет использоваться при патрулировании труднодоступных районов. На данный момент тренировку проходят два экипажа. Если все испытания пройдут успешно, будет закуплено как минимум 40 подобных экипажей. Стоимость одного Hoverbike составляет 150 тысяч долларов. Основной материал для его производства — углепластик, который позволяет максимально облегчить конструкцию. По бокам байка располагаются четыре электрических роторных двигателя, обеспечивающих движение во все направлениях, в том числе и вверх. Электробайк способен развивать максимальную скорость в 100 километров в час. В воздухе устройство зависает на 25 минут вместе с пилотом и на 40 — в беспилотном режиме. www.runews24.ru

В Китае заявили о создании сверхпрочного углеродного волокна В университете «Цинхуа» в Пекине было разработано углеродное нановолокно, один кубический сантиметр которого весит 1,6 грамма и при этом выдерживает нагрузку 800 тонн. Технология уже запатентована, и часть исследований опубликована в журнале Nature Nanotechnology. Новый материал найдёт применение в авиастроении, космонавтике, оборонной промышленности, в других областях. Становится возможным создание «космического лифта», который был предложен уже давно, но для его создания не было подходящих материалов. Спутник, находящийся на геостационарной орбите,

будет связан с Землёй тросом, по которому можно поднимать на орбиту людей и грузы, и возвращаться обратно. В 2005 году НАСА объявило конкурс на волокно для «космического лифта». Тому, кто создаст волокно с прочностью на растяжение 7 ГПа, агентство обещало 2 млн. $. Глава команды разработчиков, профессор кафедры химического машиностроения университета «Цинхуа» Вэй Фэй говорит, что их новейшее волокно из углеродных нанотрубок имеет прочность на растяжение 80 ГПа. www.iarex.ru

Новый прибор для ультразвукового контроля композитов

28 октября 2018 официально вышел на рынок новый прибор Dolphicam2 производства DolphiTech для ультразвукового контроля композитов и металлов. Уникальная технология 2D матрицы, используемая в преобразователях, и возможность подключать несколько преобразователей различной частоты от 0,5 до 15 Мгц позволяет проводить неразрушающий контроль на новом уровне. Прибор дает возможность получать изображения с высоким разрешением в т.ч.

для контроля многослойных композитных изделий.

Dolphicam2 имеет уникальную обработку сигнала, с помощью которой достигается хорошая визуализация. Можно получать 3D модели обнаруженных дефектов и определять глубину их залегания. Помимо различных контактных жидкостей возможно применение ультразвука с сухим контактом. Dolphicam2 поставляется с блоком электроники, одним или несколькими преобразователями, планшетом в защищенном корпусе. Этот прибор эффективен и прост в эксплуатации как для специалистов по НК, так и для неподготовленных пользователей. Среди заказчиков данной технологии такие известные компании как Airbus, Boeing, Lamborgini и другие. В РФ компанию DolphiTech представляет ООО «ЛОКУС» www.locus.spb.ru

Мировые новости McLaren представил новый гиперкар Speedtail

Компания McLaren официально представила новый гиперкар Speedtail, который выпустят тиражом в 106 экземпляров. Новый гиперкар стал самым мощным и аэродинамически эффективным дорожным автомобилем за всю историю McLaren. Машина получила каплевидный кузов, закрытые обтекателями передние 20-дюймовые колёса (сзади 21-дюймовые колёса), выдвижные камеры вместо зеркал заднего вида и запатентованные элементы активной аэродинамики сзади. Гиперкар построен на базе углепластикового монокока McLaren Monocage, активная подвеска выполнена из алюминия, а тормоза получили углерод-керамические механизмы. Бензо-электрическая силовая установка мощностью 1050 л. с. способна разогнать McLaren Speedtail до 403

км/ч в особом режиме Velocity, который переводит мотор на максимальную отдачу, оптимизирует аэродинамику и уменьшает дорожный просвет. Салон рассчитан на водителя, место которого расположено в центре, и двух пассажиров, сиденья которых встроены в силовую структуру машины. В передней и задней частях кузова предусмотрены багажные отсеки, а в комплекте с гиперкаром идёт набор чемоданов и сумок, отделанных в соответствии с дизайном каждой конкретной машины. Панорамная крыша и остекление дверей выполнены из электрохромного стекла, которое позволяет менять степень его прозрачности. Особенностью отделки является использование нового материала, в котором углеродные и титановые волокна сплетены вместе, обеспечивая прочность, лёгкость и износостойкость. Также в конструкции кузова и декоре салона применено инновационное тонкопленочное углеродное волокно. В McLaren заявили, что у владельцев будет возможность полностью персонализировать интерьер в соответствии со своими пожеланиями. Часть элементов управления в Speedtail вынесены на потолок, а панель приборов полностью цифровая и состоит из трёх дисплеев. Ещё два монитора по бокам используются для вывода изображения с камер заднего обзора. Клиентам поставки McLaren Speedtail начнутся в 2020 году. Все запланированные к производству гиперкары уже проданы. www.kommersant.ru

Углепластиковый корпус — аккумулятор для автомобилей будущего Электромобили, чтобы быть востребованными на рынке, нуждаются в емких аккумуляторах. Однако пока, чем мощнее источник питания — тем больше места он занимает. Группа исследователей Технологического университета «Чалмерса» (Швеция) предложила для решения данной проблемы использовать в качестве батареи корпус самого автомобиля. В ходе проведенного исследования было установлено, что классические углеродные волокна могут выполнять функцию

аккумуляторных электродов. Секрет заключается в оптимизации размера и ориентации волокон, которая призвана создать определенный баланс между жесткостью и электрическими свойствами, что и необходимо для сохранения энергии. Поскольку углеродное волокно, используемое в аккумуляторах, по некоторым характеристикам оказалось лучше стали, ученые решили, что пора переходить к ее замене. По словам профессора университета Лейфа Аспа, если автомобильный кузов из углеволокна сможет эффективно собирать, проводить и хранить энергию, то можно уменьшить вес автомобиля наполовину. Однако, есть маленькое «но» — углеродное волокно еще очень дорого, из-за чего оно ограниченно используется при создании отдельных элитных электромобилей, спорткаров и автомобилей типа болидов для F-1. Но исследовательские работы в направлении снижения себестоимости углеродного волокна идут полным ходом, и его более массовое производство и применение, надеемся, уже не за горами. www.techcult.ru

16

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Мировые новости Высокотемпературные вакуумные пленки и герметизирующие жгуты от Airtech Advanced Materials Group Преимущества: • Благодаря хорошей термоустойчивости пленка может применяться при высоких температурах.

• Превосходное отделение от обработанных деталей, быстрое и легкое отклеивание.

• Гибкость при надавливании на формы с простыми контурами.

Компания Airtech Advanced Materials Group выпустила на рынок высокотемпературные вакуумные пленки Thermalimide E RCBS для рабочих температур до 427°C и герметизирующие жгуты Fast Tack HT для высокотемпературных технологий.

Thermalimide E RCBS — высококачественная разделительная пленка с двусторонним покрытием, выдерживающая стадии термической обработки до 405°C. Thermalimide E RCBS является идеальной разделительной пленкой, используемой при формовке термопластических материалов и в прочих высокотемпературных процессах.

Fast Tack HT — это герметизирующий жгут нового поколения для высокотемпературных процессов. Fast Tack HT быстро приклеивается при использовании с пленкой Thermalimide. Наличие хорошей адгезии при комнатной температуре к высокотемпературным пленкам уменьшает время, необходимое для сборки вакуумного мешка для высокотемпературного процесса изготовления деталей. Преимущества: • Легкое применение высокотемпературное жгута.

• Хорошая адгезия к полиамидным пленкам.

• Повышенная производительность при высоких температурах по сравнению с устаревшей номенклатурой жгутов. www.airtech.lu

Компания Basaltex презентовала базальтовый препрег для противопожарной защиты

Бельгийская компания Basaltex представила на выставке Composites Europe самозатухающий базальтовый препрег с низким выделением тепла и дыма. Препрег представляет собой предварительно пропитанную смолой базальтовую ткань (BAS630T) и разработан для изготовления композитных противопожарных барьеров. Область применения продукта очень широка: он подходит для авиа-, судо- и автомобилестроения,

18

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

производства элементов конструкций, интерьера и экстерьера общественного транспорта и строительства. Базальтовая ткань для препрега изготовлена из высококачественного волокна, экструдированого из расплава горных пород, которое характеризуются высокими механическими характеристиками в сочетании с хорошей термической и химической стойкостью. Для пропитки базальтовой ткани используется термореактивная смола на основе полифурфурилового спирта, не выделяющая летучих органических соединений. Она уже нашла применение в композитах для строительства и общественного транспорта как огнестойкий материал и натуральная альтернатива фенольным смолам, поскольку производится из отходов переработки сахарного тростника. Новый продукт компании соответствует стандартам IMO FTP Code, EN 45545-2 и FAR25.853, не вредит окружающей среде и экологически безопасен. Аналитики Transparency Market Research считают, что мировой рынок огнеупорных тканей в ближайшие несколько лет будет расти и достигнет объёма 6,56 млрд. $ к 2024 году. Как ожидается, транспортная отрасль будет активно наращивать свою долю за счёт повышения требований безопасности. www.basalt.today

Отрасль www.emtc.ru

Подготовку кадров для отрасли композитных материалов обсудили на отраслевом мероприятии 25 октября в инновационном центре «Сколково» прошёл форум «Композиты без границ». МИЦ «Композиты России» принял участие в этом мероприятии. Дирекция Центра приняла участие в оценке презентации работ на конкурсе «Композиты без границ. Идея», а также в выборе победителей. Директор Центра Владимир Нелюб принял участие в обсуждении особенно важной темы для отрасли — «Кадры для композитной индустрии». «Отрасль композитных материалов стремительно развивается, — говорит Владимир Нелюб. — Области применения композитов с каждым годом увеличиваются, что связано с уникальным комплексом их свойств, которые также активно изучаются и создаются. Очень важно готовить кадры, которые будут также быстро развиваться, получать навыки и уметь работать «на опережение». В Центре «Композиты России» отлажен процесс подготовки кадров «со школьной скамьи». «Мы получили запрос, прежде всего, от родителей, которые видят, что их детям интересна техника, точные инженерные науки, инновационные направления, но они не знают, как это дальше правильно развивать, — рассказывает Нелюб. — Мы создали площадку «Инжинириум» для подготовки и обучения детей с 1 по 11 класс. Сейчас у нас уже 50 образовательных точек по Москве, Центр инновационного молодежного творчества (ЦМИТ) и технопарк. Мы профилируем школьников под кафедры Бауманки, они поступают в ВУЗ. На базе Центра есть также магистратура и аспирантура. Для тех, кто уже закончил свое образование в ВУЗе, мы создали курсы повышения квалификации. При этом подготовку и переподготовку там можно проходить не только по композиционным материалам, но и по тысячам других направлений!» Особо Владимир Нелюб отметил подготовку кадров в магистратуре. «Это одна из важнейших площадок для подготовки кадров для нашей отрасли, — отметил он. — В нашей магистратуре уклон больше на образование через практику. Мы готовим учебные планы, лабораторные работы совместно с учеными с мировым именем, академиками, а также крупными игроками бизнес-отрасли, например компаниями — участниками Московского композитного кластера. Студенты проходят практику и стажировку на этих предприятиях, заключают отложенные трудовые договоры, а чаще всего начинают работать уже параллельно с обучением. Заканчивая магистратуру, они уже имеют гарантированное трудоустройство». Участники дискуссии успешно обсудили вопросы о том, какие запросы формулирует бизнес с точки зрения развития кадрового потенциала в отрасли композитов, и что необходимо для подготовки перспективных кадров.

20

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Событие

В Сколково состоялся VI Форум «Композиты без границ»

На VI Форуме «Композиты без границ»», который проходил 25 октября 2018 года в Москве, в Инновационном центре «Сколково», обсудили возможности для импортозамещения материалов, разработки новых продуктов, внедрения композитов в разных отраслях промышленности, а также перспективные рынки для композитов. Форум проходил по заказу и при поддержке Минпромторг России, оператором выступала компания UMATEX (входит в контур управления Госкорпорации «Росатом»). Министр промышленности и торговли Российской Федерации Денис Мантуров направил участникам форума приветственное слово. «Технологическое лидерство в глобальном мире требует максимальной мобилизации ресурсов и оперативного реагирования на быстроизменяющиеся условия и потребности экономики. Работа по внедрению композитов как материалов, обладающих набором уникальных свойств и характеристик, позволяет решать недоступные ранее задачи и открывать новые направления в области техники и технологий», — говорится в приветственном слове министра. Глава Минпромторга выразил убеждение, что Форум «Композиты без границ» и дальше будет содействовать «продвижению новой высокотехнологичной продукции на основе композитов, укреплению деловых связей между разработчиками новых материалов и производителями готовой продукции, информированию потенциальных потребителей товаров и изделий об уникальных свойствах и возможностях применения». В рамках VI Форума «Композиты без границ» состоя-

22

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

лось пленарное заседание «Перспективные рынки для композитных материалов». В дискуссии приняли участие губернатор Ульяновской области Сергей Морозов, заместитель Министра промышленности и торговли Российской Федерации Виктор Евтухов, директор Департамента металлургии и материалов Минпромторг России Павел Серватинский, генеральный директор «UMATEX» Александр Тюнин, генеральный директор ОНПП «Технология» Андрей Силкин, ректор «МАИ» Михаил Погосян, вице-президент «Hexagon» Фрэнк Хэберли, заместитель директора ФБГУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» Алексей Алтынбаев. Модератором пленарной сессии выступил генеральный директор АО «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский. Участники дискуссии рассуждали о том, в состоянии ли композитные материалы в ближайшее время совершить промышленную революцию за счет придания новых характеристик, преимуществ, более высокого качества традиционным и новым изделиям в разных отраслях промышленности, повышая их конкурентоспособность. Генеральный директор «UMATEX» Александр Тюнин выступил с экспертным докладом о тенденциях развития отрасли композитов

Событие в разных отраслях промышленности. Он, в частности, отметил, что отрасль композитов находится в числе быстрорастущих. Рост рынка композитов ежегодно увеличивается на 11%, тогда как рынок металлов растет всего на 2% в год. За счет уникальных свойств материалов расширяются сферы их применения: авиастроение, судостроение, автомобилестроение, энергетика, строительство, товары народного потребления и многие другие. Мировой рынок углеродного волокна составляет 80 тысяч тонн, к 2025 году ожидается его удвоение до 161 тысяч тонн за счет увеличения спроса в ключевых промышленных сегментах. По прогнозам, сегмент «авиация и космос» удвоится к 2025 году и достигнет 85 тысяч тонн. Рост рынка также стимулирует развитие ветроэнергетики, где ставка делается на увеличение длины лопастей из композитов с углеродным ребром жесткости. В этом сегменте также ожидается удвоение рынка с 18 до 39 тонн в год. В автомобилестроении композиты на основе углеродного волокна сейчас используются преимущественно в создании моделей премиум класса. Однако, как ожидается, к 2025 году композиты будут задействованы в серийном производстве. В этом случае потребление материалов увеличится в разы: с 33 тонн до 116 тонн. Углекомпозиты уже не заменимы в профессиональном сегменте спортивных товаров, помогая спортсменам устанавливать новые рекорды. Что же касается новых отраслей применения, ожидается, что в ближайшие годы получит развитие газомоторная тематика, и композиты будут востребованы в создании баллонов высокого давления. Рост рынка потребления углеродного волокна в этом сегменте составит 500–1500 тонн. Также прогнозируется рост рынка композитов в строительстве, судостроении, медицине. В рамках мероприятия также прошли тематические панельные дискуссии: «Композитное авиастроение сегодня и завтра», «Перспективы применения композитов в ветроэнергетике», «Перспективные направления применения композитов в сфере газомоторного топлива», «Применение композитов в строительстве, в строительстве АЭС, реконструкции, транспортной инфраструктуре и ЖКХ», «Механизмы финансовой и нефинансовой поддержки развития предприятий композитной отрасли», «Кадры для композитной индустрии». На форуме состоялась торжественная церемония вручения наград первой премии «Композиты без границ. AWARDS», которая была учреждена в 2018 году. В рамках премии было объявлено пять номинаций: • Уникальные композитные решения • Серийные изделия из композитов • Лидер в композитном импортозамещении • Лидер в экспорте композитов • R&D разработки в области композитов.

кораблестроение», ООО «Гален», ООО «Моторика», ООО «Химмет», ООО «3Д сТайл», Международный институт экономики и менеджмента, ООО «СфЭРА», «ПоТехИн и Ко». Заявки оценивало экспертное жюри в составе: • Погосян Михаил Асланович, ректор МАИ • Тюнин Александр Владимирович, генеральный директор «UMATEX» (Росатом) • Силкин Андрей Николаевич, генеральный директор АО «ОНПП «Технология» им А. Г. Ромашкина» • Серватинский Павел, директор Департамента металлургии и материалов Минпромторга России • Алтынбаев Алексей Владимирович, заместитель директора по общим вопросам ФБГУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». Победителем номинации «Уникальные композитные решения» стала компания АО «АэроКомпозит», заявившая на конкурс инфузионную технологию для производства силовых консолей крыла лайнера МС-21 из композитов. В номинации «Серийные изделия из композитов» наибольшее число голосов жюри набрала компания АО «СНСЗ», выдвинувшая на конкурс катамаран «Грифон» с корпусом из углепластика.

На конкурс поступили заявки от компаний: АО «АэроКомпозит», ООО «АСД-техника», ООО «Анизопринт», МГТУ им. Н.Э.Баумана, АО «СНСЗ», ЗАО «РПП» ,ООО «Эволюшн Моторс», ПРОП МП «ОРТЕЗ», ООО «ИТЭКМА», ООО «Тулпар Интерьер Групп», ООО «Композитное КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

23

Событие

В номинации «Лидер в композитном импортозамещении» победила компания ПРОП МП «ОРТЕЗ» за создание протезно-ортопедических изделий из композитов. В номинации «Лидер в экспорте композитов» наибольшие оценки жюри получила компания ООО «ИТЭКМА», заявившая на конкурс высокотемпературное фталонитрильное связующее ИТЕКМА PN-3M для вакуумной инфузии и РТМ. Победителем номинации «R&D разработки в области композитов» стала компания «Моторика» с биоэлектрическим протезом с полимерной угленаполненной конструкцией. Спикеры пленарного заседания и члены жюри конкурса: Виктор Евтухов, Павел Серватинский, Александр Тюнин, Андрей Силкин, Алексей Алтынбаев объявили победителей в номинациях и вручили уникальный левитирующий кубок из углекомпозитов. На форуме также состоялась презентация работ, поданных на краудсорсинговый конкурс «Композиты без границ. Идея». Заявки поступили из разных городов: Москвы, Екатеринбурга, Ростова, Новочеркасска, Балаково, Республики Татарстан. Всего было подано 14 уникальных идей, посвященных применению композитов. Конкурсные заявки оценивало экспертное жюри в составе: • Заместитель директора МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Баумана Илья Чуднов; • Заместитель генерального директора по коммерческим вопросам «Препрег-СКМ» Андрей Брятцев; • Заместитель генерального директора по исследованиям и разработкам Umatex Семен Кишилов;

24

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Событие • Заместитель заведующего кафедрой энергетики высокотемпературной технологии по научной работе Национального исследовательского университета МЭИ Константин Строганов; • Председатель жюри — заместитель генерального директора по исследованиям и разработкам «Препрег-СКМ» Лариса Чурсова. Члены жюри выбрали трех победителей, идеи которых имеют высокий потенциал к реализации. Третье место занял Михаил Назаров, студент 2 курса магистратуры НИУ «МЭИ», который представил на конкурс разработку энергоэффективного устройства для плавления и производства непрерывных базальтовых волокон. Второе место — Антон Егоров, студент «Курчатовского института», заявивший на конкурс разработку гибридных, фотокаталитически активных, защитных материалов на основе наночастиц оксида меди (II), обладающих антибактериальными свойствами. Первое место было присвоено Алексею Жукову, студенту Балаковского филиала МИФИ за проект под названием «Разработка энергоэффективных огнезащитных модульных панелей для гражданского строительства». Победители получили сертификаты на обучающий курс по работе с композитами и композитные материалы для воплощения в жизнь своих идей. Проекты в области композитов также были представлены в формате Pitch-сессии, где присутствовали потенциальные инвесторы и представители институтов развития. На форуме работал «Салон композитных материалов», где были представлены новейшие разработки из композитов. В их числе композитный катер Sirius 25, образцы интерьера авиалайнера из композитов, композитные баллоны, 3D принтеры, которые печатают изделия из углеволокна, автомобиль с корпусом из композитов, композитные болиды, композитные пилотируемые и беспилотные летательные аппараты, композитные протезы и ортезы, образцы спортивного инвентаря и многое другое. На выставке был презентован новый проект «UMATEX» — интернет-магазин «Carbon Store», где были представлены уникальные сувениры из углеродного волокна и углекомпозитов. В мероприятии приняло участие 600 делегатов, заинтересованных в развитии отрасли композитов. В их числе руководители и специалисты промышленных предприятий, научные сотрудники ведущих российских образовательных учреждений и исследовательских организаций, представители государственных структур. Форум «Композиты без границ» проводился по заказу Минпромторг России, оператор форума — компания «UMATEX», генеральный спонсор — НИЦ «Курчатовский институт», официальный спонсор — компания «Hexagon». В качестве партнеров мероприятия выступили компании АНО «КИТ КИ», «Toray», «Тулпар» и «Рекон». КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

25

Событие

Итоги III Петербургского Международного Научно-промышленного Композитного Форума С 1 по 3 октября 2018 года в Санкт-Петербурге состоялся III Петербургский Международный Научно-промышленный Композитный Форум. Мероприятие стало площадкой диалога ведущих ученых и специалистов отрасли с руководителями производственных компаний и органов власти. Форум включил в себя конференцию «Развитие производства и применения композиционных материалов (композитов) и изделий из них в Санкт-Петербурге» и специализированную выставку оборудования, материалов и изделий из композитов — «К-Экспо». В этом году в мероприятии приняло участие более 600 специалистов из 25 регионов России и десяти зарубежных стран: Армения, Латвия, Италия, Финляндия, Швеция, США, Германия, Эстония, Польша, Белоруссия. Свои доклады представили 80 спикеров. В рамках конференции «Развитие производства и применения композиционных материалов (композитов) и изделий из них в Санкт-Петербурге» состоялись выступления экспертов рынка по наиболее актуальным вопросам отрасли: применение композитных материалов и изделий в судостроении, в нефте- и газодобывающих отраслях в условиях Крайнего Севера и при разработке арктических шельфовых месторождений, на объектах транспортной инфраструктуры и в других сферах. Обсуждалось международное и межрегиональное сотрудничество. Главным событием конференции стало пленарное заседание «Композиты — технологический прорыв настоящего в будущее». Открыл мероприятие ви-

26

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

це-губернатор Санкт-Петербурга С. Н. Мовчан. В своем выступлении он обозначил тренды развития композитной отрасли, рассказал о формах сотрудничества городских структур с разработчиками и производителями композитных изделий и способах внедрения новых материалов в городское хозяйство. С. Н. Мовчан отметил, что современное производство композитных материалов — это быстро, дешево, экономично и экологично, и будущее, несомненно, за этими перспективными материалами. Одним из наиболее ярких мероприятий конференции стал круглый стол «Применение композитов на объектах транспортной инфраструктуры, в строительстве, в ЖКХ и городском хозяйстве». В рамках дискуссии участники обсудили новые методы кооперации между администрациями районов Санкт-Петербурга и производителями. Большое количество специалистов композитного рынка собрали круглые столы по судостроению и использованию композитных материалов и изделий в нефте- и газодобывающих отраслях в условиях Крайнего Севера, а также при разработке арктических шельфовых месторождений. Доклады участников носили практический характер и демонстрировали результаты работы предприятий Санкт-Петербурга. Компании, эксплуатирующие суда из композитных материалов, в ходе дискуссии дали обратную связь по характеристикам и поведению судов из новых материалов на воде их производителям, разработчики продемонстрировали новые материалы для обшивки корпусов.

Событие Также в рамках конференции прошли круглые столы по экологии, работе с персоналом на композитных производствах и новым композитным материалам. Материалы, представленные на круглых столах, заинтересовали производственные организации. Наверняка в ближайшем будущем будут широко представлены изделия из новых, перспективных материалов. В рамках конференции состоялась инвестиционная сессия — конкурс «Парад проектов. Инвестиции в разработку и применение композитных материалов». Пять проектов, прошедшие предварительную экспертизу, были представлены экспертам. Эксперты оценивали каждый проект по таким критериям как инновационность, экономическая обоснованность, инвестиционная привлекательность, технологическая обоснованность, контроль рисков внедрения и полезность для народного хозяйства. По итогу в конкурсе победил проект «Композитная муфта», представленный Санкт-Петербургской производственной компанией АО «СМКБ». Победители получили конкурсные награды, а все участники опыт общения с экспертами в своей области, профессиональное мнение и практические советы по масштабированию проектов, выходу на рынок и повышения конкурентоспособности. В целом, работа в рамках Форума была максимально полезной для производителей изделий из композитных материалов, были достигнуты договоренности между разработчиками и производителями композитов, которые должны привести к появлению изделий из новых материалов. Также планируется, что в ближайшее время будут положительные изменения в порядке сертификации и внедрения уже существующих материалов в рыночную городскую среду. «Форум был очень результативным и дал нам много идей и разработок на ближайшее время», — подвел итоги В. Н. Зазимко, исполнительный директор Ассоциации «Композитный Кластер Санкт-Петербурга». Кроме того, на площадке, одновременно с конференцией, работала выставка «К-Экспо», где были продемонстрированы новейшие достижения в композиционных технологиях. Особенностью выставки в этом году стала демонстрация композитных судов и плавсредств на воде. На выставке были представлены новые суда из композитных материалов ОАО «Средне-Невский судостроительный завод», новые композитные баки и емкости АО «Флотенк», материалы для производства композитов предприятий ООО «Волгоградпромпроект», ООО «ВладПолиПром» и СП ООО «ЕТС», стеклопластик и искусственный камень ООО «ПолимерПром». Участникам форума была предоставлена возможность наглядно ознакомиться с катамаранами и катерами из композитных материалов компании ООО «Винета». Форум прошел по заказу Комитета по промышленной политике и инновациям Санкт-Петербурга и при поддержке Композитного кластера Санкт-Петербурга. КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

27

Событие

Пресс-релиз Reed Exhibitions www.composites-europe.com

К успеху с легкостью! Итоги выставки Composites Europe 2018 Стеклопластики и углепластики особо пользуются спросом там, где нужны новые легкие и перспективные материалы. Тенденция к облегчению конструкций и изделий при сохранении остальных их свойств является одной из движущих сил развития применений композитных материалов. В тоже время стоит отметить, что решение сложных технологических задач, которые ставят потребители, дает импульс производителям изделий из композитов все больше автоматизировать, оптимизировать и модернизировать свои производства. Тем самым дополнительно стимулируя их развитие. Современное состояние композитной отрасли можно было наглядно оценить на прошедшей с 6 по 8 ноября 2018 года в Германии 13-й международной выставке композитных материалов, технологий их производства и областей применения COMPOSITES EUROPE, в которой приняли участие 365 экспонентов из 30 стран мира. Согласно данным организатора выставки — компании Reed Exhibitions, мероприятие посетили 8148 специалистов из 71 страны (для сравнения: в 2017 было практически столько же посетителей, но из 63 стран). С этого года выставка будет ежегодно проходить только в Штутгарте. Также следует отметить, что в этом году в выставке приняли участие практически все мировые автопроизводители: Audi, BMW, Bugatti, Daimler через Ford, Honda, Mitsubishi, Opel, Porsche,

28

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Toyota, Volkswagen и др. Аналогичная картина наблюдается и по участникам из аэрокосмической промышленности. «Это еще раз доказывает нам правильность выбора постоянного места проведения выставки», — отмечает Ганс–Йоахим Эрбель, генеральный директор Reed Exhibitions. Каждый четвертый посетитель выставки представлял организации или производящие оригинальное оборудование, или сырье для рынка. В настоящее время в Европе продолжается уверенный рост производства и применения композитных материалов. Так, объём рынка стеклопластиков в 2018 г., по сравнению с прошлым годом, увеличился на 2% и составил 1,141 млн. тонн. Эти данные были озвучены в начале выставки в рамках презентации ежегодного отраслевого отчета, сделанного Немецкой ассоциацией производителей композитов AVK. Таким образом, развитие композитной отрасли соответствует общим мировым макроэкономическим тенденциям. «У композитной отрасли хорошие перспективы и огромный потенциал», — акцентировал д-р Эльмар Виттен, исполнительный директор AVK. Сейчас в автомобилестроении, являющимся в Европе основным потребителем композитов, армированных волокнами, идет перелом. Ужесточение требований к показателям вредных выбросов ведет к использованию в автомобилях более экологичных источников энергии, например, активно развивается

Событие

производство электромобилей, что способствует реструктуризации отрасли и открывает для композитов новые перспективы.

Lightweight Technologies Forum Облегчение конструкций и изделий является центральной темой проводимого с 2016 года в рамках выставки форума. Как подчеркнул Вернер Лохшайдер из Федерального министерства экономики и энергетики

Германии, выступая на церемонии открытия Форума: «Изготовление облегченных конструкций и изделий является для нас ключевыми технологиями, которые мы используем для модернизации и укрепления промышленности Германии. Это широкая база для создания новых производств, и, как следствие, новых рабочих мест и увеличения выпуска изделий, а также для развития композитной отрасли сегодня и завтра». При создании легких конструкций композиты, армированные волокнами, существенно опережают другие используемые материалы. Потому что все чаще производители выбирают именно гибридные материалы для реализации своих проектов. Главная задача Форума — представить достижения организаций композитной отрасли в сфере производства облегченных изделий перед потребителями подобной продукции из различных отраслей промышленности. В 2018 году в рамках Форума свои разработки в сфере так называемых легких технологий представили 26 компаний. Изюминкой стала презентация технико-экономического обоснования производства и применения композитного автокресла, которое весит всего восемь килограммов.

Выставочное пространство «Process Live» Специальный раздел выставки «Process Live» был посвящен возможностям модернизации и автоматизации производственных процессов. Здесь машиностроительные компании представили согласованные друг с другом в одну технологическую цепочку станки и оборудование, охватывающие стадии подготовки, раскроя, обработки, укладки и непосредственно производства и упаковки готовых изделий. Например, вживую была продемонстрирована технологическая цепочка производства, включающая оборудование для раскроя армирующих материалов компании GUNNAR AG (Швейцария), автоматизированные системы выкладки и формования от компании Airborne (Нидерланды) и системы перемещения и транспорКОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

29

Событие тировки с помощью вакуумного захвата (присосок) производства Schmalz GmbH (Германия). При этом все аппараты полностью связаны между собой с помощью программного обеспечения. «Такого рода кооперации между производителями разных видов технологического оборудования помогают модернизировать композитные производства, что способствует повышению их производительности и качества выпускаемых изделий и, соответственно стимулирует рост отрасли в целом. В формате раздела «Process Live» мы хотим на понятных примерах продемонстрировать компаниям отрасли возможные пути сотрудничества и развития», — говорит Олаф Фрайер, директор выставки COMPOSITES EUROPE.

Анонс Composites Europe 2019 В 2019 году выставка COMPOSITES EUROPE будет проходить параллельно с выставкой Foam Expo Europe, посвященной пенопластовым материалам и технологическим пенам и впервые проведенной в этом году. Совместное проведение мероприятий будет способствовать привлечению большего числа посетителей из общих областей применения и композитных и вспененных материалов, таких как: авиа- и автомобилестроение, строительство и производство товаров для спорта и отдыха. Посетители встретятся с разнообразным ассортиментом легких строительных материалов и технологиями их производства и обработки. А производители композитных и пенопластовых материалов смогут обсудить возможности сотрудничества в рамках создания гибридных и сэндвич-материалов для общих сфер применения. Новую концепцию в следующем году приобретёт и международный композитный конгресс (ICC). ICC, традиционно начинающий деловую программу выставки, в 2019 году будет проведен компанией Reed Exhibitions совместно Ассоциацией компаний Composites Germany. Приглашаем Вас принять участие в 14-ой международной выставке COMPOSITES EUROPE, которая пройдёт с 10 по 12 сентября 2019 года в Штутгарте.

30

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Событие По материалам: www.composites-cis.com www.korabel.ru www.tsagi.ru

Композиты СНГ — по пути к цифровой экономике

В этом году VIII международная конференция «Композиты СНГ-2018» — ежегодная эффективная площадка для встреч представителей делового и научного сообществ, участвующих в производстве и применении композиционных материалов и решений на их основе в странах Содружества Независимых Государств (СНГ), состоялась 11–12 октября в гостинице «Рэдиссон Роза Хутор» в Красной Поляне в горах над Сочи. Работа велась по направлениям: «Композиционные материалы и цифровизация экономики» и «Стоимостной анализ жизненного цикла изделий из полимерных композиционных материалов». Также работали специальные секции «Композиты в авиации» и «Технологии применения композиционных материалов в медицине». По уверениям организаторов, проведение такого рода конференций в местах, удаленных от столичной суеты, позволяет участникам сосредоточиться на содержании докладов и принять живое обсуждение в прениях. Забегая вперед, необходимо отметить, что данный тезис получил реальное подтверждение в процессе проведения конференции. Порядка 90% делегатов конференции не покинули заседаний до самого конца второго дня, принимая самое непосредственное участие в обсуждении сделанных спикерами докладов.

32

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Событие Докладчики представляли различные отрасли и различные позиции на рынке (производители изделий, специалисты в области программного обеспечения для проектирования, разработчики технологий и материалов, поставщики сырьевых компонентов), общим для всех докладов был их высокий уровень. Важно отметить, что некоторые данные, представленные на конференции, были озвучены и опубликованы впервые. Два доклада, открывавшие конференцию, задали высокий тон дискуссии: обнаружилась заметная разница в подходах крупной компании-покупателя (С. В. Ильин, Автодор) и компании, представляющей малый бизнес по изготовлению изделий из полимерных композиционных материалов (А. Е. Ушаков, АпАТэк) к использованию цифровых методов для оценки соответствия изделий предъявляемым требованиям. Динамичное обсуждение, завязавшееся после выступлений докладчиков, было продолжено в кулуарах и безусловно способствовало нахождению взаимопонимания при объективном различии интересов. Несмотря на то, что среди представленных докладов доля авиационных применений композитов была весьма значительной (С. А. Титов, ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского; С. Ю. Хаширова, Центр прогрессивных материалов и аддитивных технологий Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова; Шубин А. Н., Инновационные технологии и решения; Шибаев А. О., ПЛМ Урал), обсуждения носили межотраслевой характер: так, компетенции, развитые в отечественном композитном судостроении, неоднократно сопоставлялись (М. Э. Францев, Ахто-Пласт-Эксперт) с достижениями в области материалов и технологий, развитыми для других отраслей, в частности, с технологиями ремонта высокоответственных изделий из полимерных композиционных материалов. В докладах Т. В. Сафронова (МГУ им. М. В. Ломоносова) и С. Ю. Хаширова (Центр прогрессивных материалов и аддитивных технологий Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова) были затронуты вопросы, касающиеся применения композиционных материалов в медицине. Был широко освещен опыт разработки в среде ANSYS конечно-элементной прочностной модели надстройки пассажирского судна на подводных крыльях, выполненной под руководством автора в МИЦ «Композиты России» при МГТУ им. Н. Э. Баумана. Были рассмотрены другие примеры проектирования конструкций из композитов с использованием среды ANSYS, в том числе, на основе ячеистой структуры. Были сформулированы и проиллюстрированы принципы верификации численных моделей с использованием инструментальных исследований методами неразрушающего контроля. В заключение доклада были озвучены выводы, полученные разработчиками скоростного катамарана из композита на основе углеродного волокна с использованием программных комплексов ANSYS, NASTRAN и PAM-RTM. С описанным выше докладом очень близко перекликался доклад, сделанный представителем КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

33

Событие компании «PLM Урал» А.О. Шибаевым, который был посвящен использованию численных методов при проектировании изделий из композиционных материалов. В частности, в докладе рассматривался программный пакет ESI PAM-RTM, который предназначен для моделирования технологического процесса изготовления композитного изделия методом пропитки сухой ткани связующим. В этом программном продукте реализована возможность расчета всех основных технологий производства методом инжекции связующего в форму. В ходе расчета пользователь отрабатывает оптимальную схему производства изделия, варьируя при необходимости, схему подачи/отвода связующего, расположение вакуумных портов, укладку композита, материалы, связующее, температурные режимы и так далее. Прогнозируется фронт распределения связующего, наличие сухих зон, пористость изделия, поле давления, степень полимеризации и ряд других параметров. Расчет процессов пропитки композитов позволяет определить оптимальную технологию производства, спрогнозировать места образования и причины появления дефектов. Аудитория проявила к докладу большой интерес. В докладе также сообщалось, что программа PAMRTM использовалась при постройке на Средне-Невском судостроительном заводе скоростного пассажирского катамарана из композита на основе углеродного волокна. Много внимания в докладах было уделено такому перспективному материалу, как композит на основе базальтового волокна или базальтопластик. Доклад ученого секретаря НПО «Стеклопластик» Деминой Н.М. был посвящен сравнительному анализу армирующих высокопрочных стеклянных и базальтовых волокон и их перспективному применению в различных областях техники, в том числе, в судостроении. В докладе представителя научно-производственной компании «РБ-Композит» Шестопалова В. Ю. рассматривались особенности создания и использования сотового заполнителя на основе стекло-, базальто- и углепластиков, в том числе, как материала среднего слоя изделий из композитов для судостроения. В докладе, в частности, указывалось, что данные материалы рассматриваются Средне-Невским судостроительным заводом как основа для изготовления крышек люков различных типов. По сообщению ряда других докладчиков, пространственно-армированные конструкции из композитов на основе различных типов армирующих волокон в настоящее время рассматриваются в качестве очень перспективных материалов для судостроения, в частности, эти материалы также привлекают внимание Средне-Невского судостроительного завода, как основа для изготовления дельных вещей. Большой интерес вызвал доклад представителя компании ИТЕКМА И. А. Тимошкина, в котором рассказывалось о результатах создания огнестойкого композита, выдерживающего испытания открытым огнем при высоких температурах. Известно, что пожарная опасность является одним из сдерживающих факторов применения композитов в отечественном

34

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Событие гражданском судостроении. Поэтому применение такого рода материалов для огнестойких и огнезадерживающих конструкций может позволить решить эту проблему при условии сертификации этих материалов по правилам отечественных классификационных обществ. Вопросы, касающиеся жизненного цикла композитных изделий, от подбора сырьевых материалов для их изготовления до имеющихся возможностей утилизации, были подробно освещены в докладах Г.В. Ильиных (Пермский национальный исследовательский политехнический университет), Д. М. Белобородова (Olin), М. Щербы (Saertex). Начальник сектора Научно-технического центра Научно-производственного комплекса ФГУП «ЦАГИ» Сергей Титов рассказал о способах повышения прочности и ресурса металло-композитных соединений, а также особенностях ремонта поврежденных авиационных деталей из ПКМ. В своем выступлении он представил наработки Научно-технического центра НПК института в сфере изучения особенностей внедрения композитов в конструкциях летательных аппаратов. Расширение области применения таких материалов в авиации поставило вопрос о возможности их ремонта, а также разработке соответствующих методик и технологического оснащения. Сотрудниками НТЦ были проанализированы основные варианты восстановительных работ: с приклеенными соединительными элементами и с клее-механическим присоединением ремонтных элементов (с механическим металлическим крепежом). А также предложен способ ремонта повреждений в деталях из ПКМ, основанный на применении специализированных металлических закладных элементов и эффективной клеевой композиции. Исследование данного метода на конструктивно-подобных образцах дало положительные результаты. В работе «Способ повышения прочности и ресурса металло-композитных соединений в авиационных конструкциях на основе применения наноклеевой композиции» были рассмотрены наиболее существенные вопросы обеспечения прочности болтовых соединений в конструкциях данного типа. В их числе технология изготовления отверстий в ПКМ, ее влияние на прочность и долговечность узлов соединений. В дополнение к первоначально заявленной программе конференции, были сделаны еще 2 доклада: И.И. Крыжановский (наблюдательный совет Центра международных и сравнительно правовых исследований, экспертный совет Союза КТИ) рассказал о перспективах разработки системы нормативного регулирования применительно к внедрению цифровой сертификации в рамках реализации национального проекта «Цифровая экономика Российской Федерации»; А. П. Белоглазов (Ниагара) представил последние разработки в области альтернативного подхода к структурному усилению различных изделий, в том числе бетонных, стеклопластиковыми объемными высокопрочными каркасами, собираемыми из листовых элементов, легко поддающихся транспортировке.

По мнению участников, конференция КОМПОЗИТЫ СНГ — уникальная площадка для общения специалистов из различных отраслей композитной индустрии, позволяющая актуализировать новые разработки — для чего исключительно полезен не только «свежий взгляд» со стороны специалистов из смежных областей, но и требуется подчас переосмысление решений и результатов, известных из прошлого «классического» опыта. Присоединяйтесь к форуму ведущих профессионалов композитной индустрии! Будем рады видеть вас и коллег среди участников IX конференции КОМПОЗИТЫ СНГ 2019 в Баку! КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

35

OPTIMOLD II

MONOCOMPONENT

ДЛИТЕЛЬНОЕ СОХРАНЕНИЕ БЛЕСКА ЗЕРКАЛЬНАЯ ФИНИШНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ОТСУТСТВИЕ УСАДКИ И ПРЕВОСХОДНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ РАЗМЕРОВ СНИЖЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ КОПИР-ЭФФЕКТА ОТ СТЕКЛОВОЛОКНА

СИСТЕМА БЫСТРОГО ПРОИЗВОДСТВА МАТРИЦ • Быстрота производства

– быстрый набор толщины матриц, оборачиваемость за 24 часа

• Легкость в работе – низкая вязкость, ручное нанесение или напыление – требует только добавления стандартного катализатора МЕКР • Превосходная размерная стабильность – отсутствие деформаций при перепадах температуры – матрица имеет большую прочность и долговечность

• Улучшенная стабильность – более стабильный не оседающий наполнитель – стабильное время гелеобразования • Практически полное отсутствие усадки – система тщательно воспроизводит контуры мастер модели

Система OPTIMOLD II MONOCOMPONENT разработана для быстрого производства стеклопластиковых матриц и включает в себя: • Гелькоуты POLYCOR® Tooling Разработаны для использования в производстве матриц. Обладают высокой химостойкостью, термостойкостью, хорошей устойчивостью к изменениям температуры и ударопрочностью. Обеспечивают максимальный блеск и зеркальность поверхности в течение многих лет эксплуатации. Доступны в вариантах для напыления и нанесения кистью. Цвета: зеленый, черный, оранжевый, прозрачный.

• Смола для Skin Coat NORSODYNE Н 44281 ТА/Н 44382 ТА Ненасыщенная предускоренная тиксотропная изофталевая полиэфирная смола с отличными механическими свойствами, высокой ударной прочностью и высокой термостойкостью. Используется для первого слоя после гелькоута.

• Смола OPTIMOLD II MONOCOMPONENT Наполненная предускоренная полиэфирная смола с содержанием низко-усадочных добавок. Позволяет набрать ламинат большой толщины в один или несколько заходов, в зависимости от размеров матрицы, без беспокойства о чрезмерной усадке и деформации, вызываемых быстрой полимеризацией. Обеспечивают матрицам превосходную стабильность размеров и замечательное качество поверхности. ХАРАКТЕРИСТИКИ, МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ КРИТЕРИИ

СТАНДАРТ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Вязкость при 25°C

ISO 2884

500–550 cps

Содержание летучих веществ

ISO 3251

30%

Время гелеобразования при 20°C 1.5% MEKP

18–22 мин. Визуально

Розовая / бежевая непрозрачная жидкость

СТАНДАРТ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Предел прочности

ISO 527

92 MPa

Относительное удлинение при разрыве

ISO 527

1.8%

HDT

ISO 75

140°C

Вид / цвет

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИТЕРИИ

www.intrey.ru info@intrey.ru ИНТРЕЙ Полимерные Системы

Материалы www.utsrus.com

Инновационная матричная система для производства форм и оснастки В марте этого года на выставке JEC 2018 компания BÜFA Composite Systems представила производителям стеклопластиковых матриц уникальное решение в области материалов для производства форм, аналогов которому ранее не было.

Как известно, на рынке композиционных материалов существуют два типа решений для изготовления стеклопластиковых матриц: длительный и быстрый. Под длительным решением BÜFA Composite Systems понимает консервативный старый послойный способ изготовления формы, когда за 24 часа модельщик формует не более 1мм толщины. Однако уже достаточно давно существует так называемая «быстрая матрица», когда за сутки формуют 4–5 мм, используя технологию «мокрым-по-мокрому». Смолы для подобной технологии имеют высокий уровень наполнения, чтобы снизить усадку. По этой причине у подобных связующих высокий расход, они не прозрачные, если ошибиться и отформовать меньше слоев, нежели рекомендовано, то будет наблюдаться большая усадка на поверхности матрицы и проблемы с отверждением. Вне зависимости от типа решения, все крупные производители рекомендуют при изготовлении матрицы для создания барьерного слоя использовать эпоксивинилэфирный гелькоут и эпоксивинилэфирную

38

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

смолу. Но даже при использовании этих продуктов известных марок, производимых крупными компаниями, могут наблюдаться такие проблемы, как вспенивание, микропористость, медленный набор прочности и высокая усадка барьерного слоя. Помимо выше описанных особенностей, с которыми сталкиваются все производители матриц, необходимо отметить еще две: • любая матрица электризуется при полировке и нанесении разделителя, а также при съеме изделия, что ведет к налипанию пыли на поверхность формы, а, следовательно, к ухудшению внешнего вида последующего изделия; • температура тепловой деформации смол для барьерного слоя, представленных до недавнего времени на рынке, ниже 100°С, а у матричных смол (ортофталевых) даже ниже 70°С. Такая термостойкость совершенно не удовлетворяла производителей матриц для термовакуумформования, где температура акрилового листа превышает 130°С.

Материалы

Для достижения наибольшего отличия от теоретической части, черный — оптимальный цвет для белых изделий. Зелёный — оптимальный цвет для белых изделий с темно-синими полосками. Оранжевый, как правило, используется для светло-голубой продукции. Серый цвет — последний цвет в цветовой гамме матричных гелькоутов. Оптимальный температурный режим работы 18–24°C

Новая матричная система BÜFA® Антистатический гелькоут BÜFA®-Conductive-Tooling Gelcoat H/S Безопасность и легкость съема Барьерная смола BÜFA®-Resin VE 0910 Низкая усадка и высокая термостойкость Безусадочная смола BÜFA®-Resin VE 7100 Tooling (до 90°C) Позволяет осуществлять формовку до 12 слоев стекломата 450 г/м² за один раз, при низкой вязкости и высокой прозрачности

После многолетних исследований на заводах клиентов и в лаборатории самой BÜFA Composite Systems было представлено решение, не имеющее вышеуказанных недостатков. Вопрос статического электричества на поверхности матрицы был решен путем введения углеродных нанотрубок, которые не влияют на технологические параметры гелькоута. Вопрос вспенивания был решен модификацией уретаном, что также повысило трещиностойкость гелькоута. Вопрос термостойкости системы был решен путем разработки матричной смолы на основе эпоксивинилэфирной смолы, модифицированной уретаном. Это позволило предложить систему гелькоут — барьерная смола — матричная смола на основе одной химической природы. Переход к иной химической основе матричной смолы (от ортофталевой к эпоксивинилэфирной) позволил снизить вязкость более чем в 2 раза относительно представленных на рынке смол, значительно повысить прозрачность и, самое главное, стала возможна формовка «мокрым-по-мокрому» от 2 мм до 15 мм за раз без эффекта усадки! Данное решение абсолютно уникально, и в настоящее время получены положительные отзывы как от производителей матриц площадью 160 м2, так и от производителей матриц, рассчитанных на 30 000 съемов. В случае заинтересованности обращайтесь к ведущему менеджеру Группы Компаний ЕТС, Райхлину Леониду по телефону: +7 (921) 302 54 08

BÜFA® Матричная система — Съем матрицы на следующий день Традиционная матричная система — Съем матрицы на пятый день

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

39

Материалы Косенков Андрей Владимирович Технический директор ООО «Балтийский Композит» www.мастерфорум.композиты.рф

Обзор и классификация разделительных составов для обработки форм, используемых в производстве изделий из композитных материалов. Секреты эффективного применения

Тема эффективного использования разделительных составов является актуальной для каждого «композитчика». Поэтому в данной статье я хочу поделиться опытом применения наиболее известных марок разделителей, используя конкретные примеры из своей практики. Для удобства в тексте будут не оригинальные названия материалов, а их русскоязычные транскрипции. Все специалисты их знают, и, думаю, ошибки, связанные с этим, исключены.

40

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Материалы Наиболее используемые в русскоязычном пространстве виды и марки разделителей: 1. спиртовые разделители на основе винилового спирта («СР», «Кра-5», «Норслип», «Акмосан 82-177» и другие); 2. восковые разделители («Желтый Воск», «Голубой Воск», «ИЖВАКС» и другие); 3. перманентные разделители («Локтайт», «Зайвакс», «Экстенд» и другие); 4. новые марки разделителей на основе водных эмульсий и просто новые заменители существующих. Они в моих многочисленных экспериментах показали себя не лучше, а зачастую хуже проверенных годами, в том числе, в сравнении «цена-качество». Ничем особенным, кроме заявленной производителями «экологичности» (те, что на основе водных эмульсий), данные разделители не отличились. Поэтому, пожалуй, пункт номер четыре я уберу из своего повествования. Дело в том, что одно лишь знание марки правильного разделителя не гарантирует 100% успех от его применения. Из перечисленных здесь разделителей многие пользуются абсолютной популярностью у одних производителей, и совершенно не используются другими. И связано это не с реальными качествами разделителей, а с умением их применять. В статье я хочу описать успешный опыт применения конкретных материалов для определенных целей, основываясь на своей практике. Надеюсь, что этот опыт будет полезен не только мне. Сразу хочу оговориться, что делая как я, вам придется проигнорировать многие рекомендации производителей разделителей, так как большинство рекомендаций пишется «для среднего уровня» владения теоретическим материалом. А в данной статье, я хочу представить читателям, так сказать, высший уровень этого владения.

1. Спиртовые разделители Все спиртовые разделители изготовлены на основе поливинилового спирта и используются для так называемой «обкатки зеленых матриц (форм)». В основном современные матричные материалы и их штатное применение избавляют вас от этой «зеленой обкатки». Во всяком случае, мне такое никогда не пригодилось. Но я делал такую обкатку из-за каприза «продвинутого и начитанного» руководства. После шлифовки и, если надо, полировки матрицу нужно искупать в растворе синтетического моющего средства (далее СМС). Не жидкого мыла, а именно средства для мытья посуды, которое эффективно расщепляет жиры, нанесенные руками обработчиков на поверхность матрицы. Мыть нужно тщательно, с мочалочкой. Потом матрицу моют без СМС и сушат феном. Затем наносят штатный порозаполнитель. Например, если планируется применять разделитель «Локтайт», наносят порозаполнитель «Локтайт ФМС». Применял я порозаполнители и с разделителями разных марок,

например «Сейлер Зайвакс» с разделителем «Локтайт 770 НЦ». Никаких отрицательных моментов не наблюдалось, все работало как надо. Здесь нужно понимать, что качество порозаполнения зависит не от марки порозаполнителя, а от того, забиты ли поры поверхности матрицы потожировыми отложениями с рук или силиконом от несоответствующей полировальной пасты (прим. автора: автомобильные полироли для матриц — НЕ ПРИМЕНЯТЬ!). Если да, то и держаться порозаполнитель и, возможно, разделитель не будут. А, следовательно, первые съемы матрицы до окончательной «обкатки» будут затрудненными, а иногда и просто — фатальными. После того как вы нанесли штатный порозаполнитель и штатный разделитель согласно инструкции производителя, скорее всего матрица будет работать нормально. Если за собой вы чувствуете «недоработку» в виде долгого отверждения матричного геля при изготовлении или вялой реакции полимеризации основной толщины матрицы, то лучше перестраховаться. При неполной полимеризации стирола (из-за ваших неправильных действий) возможно «выпотевание» непрореагировавшего стирола на лицевую сторону матрицы. Разделительный слой в этом месте, естественно, будет разрушен, и матрица сополимеризуется с изделием. Тогда для страховки напыляем любой спиртовой разделитель на обработанную штатным разделителем поверхность. Естественно, у вас без вдумчивого подхода ничего не получится. Вы увидите, как красиво наносится спиртовой разделитель, и захотите создать сверкающую глянцевую поверхность, но спиртовой разделитель при слишком щедром орошении начнет оплывать некрасивыми потеками. А при просто щедром — станет собираться в крупные капли со многими просветами между ними. Так себя не ведет только один спиртовой разделитель — «ИЖВАКС», и только на основном разделителе «ИЖВАКС». По этой причине его можно не только успешно напылять, но и наносить тряпочкой, как страховочный слой при обкатке «зеленых матриц». Подробнее вы можете узнать об этом непосредственно у производителя данного продукта. Если вы не являетесь счастливым обладателем этих отечественных составов, а пользуетесь импортными, то у вас один путь — напылять виниловый спирт «туманчиком» из хорошего пульверизатора серии САТА с соплом 0,8–1,2 мм. Напылять нужно так, чтобы микро-капли на поверхности, засыхая, не сливались между собой. Вы по кругу обходите матрицу и напыляете слой за слоем до полного удовлетворения конечным результатом: поверхность должна стать равномерно матовая, но при этом сухая. Далее возможны два варианта. Первый — можно начать напылять пожирнее, чтобы капли спирта начали сливаться. Потому что вы с самого начала сделали все правильно и нанесли первые слои именно «туманчиком», теперь этот сплошной слой уже не будет скатываться в капли, будет так и высыхать ровным слоем. Чудо, не правда ли? И второй вариант — продолжить напылять «туКОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

41

Материалы манчиком», и тогда капли спирта начнут укрупняться, превращаясь в красивую равномерную шагрень. Это приведет к тому, что первые изделия с матрицы будут не гладкими, а шагреневыми. Данный способ нанесения плавно подводит нас ко второму назначению спиртового разделителя — для создания «одноразовой» шагрени. Обкатка «зеленых матриц» предполагает, что изделия в/на них прогреваются до 40–60°С, при этом непрореагировавший стирол из матриц испаряется или связывается (полимеризуется). Если у вас изделия не нагреваются до этой температуры, то никакой «зеленой обкатки» не происходит. Также при обкатке поры матрицы запечатываются штатным порозаполнителем, и разделитель «стеклуется» на ее поверхности. Таких «зеленых обкаток» можно провести 2–3. При этом, после каждого снятия изделия, вы смываете виниловый спирт водой (штатный разделитель при этом не смывается), сушите форму феном и наносите согласно инструкциям к применению 1–2 слоя штатного порозаполнителя и 3–4 слоя штатного разделителя. Потом снова напыляете спиртовой разделитель «туманчиком» и далее, как описано выше. И заливаете (формуете) изделие. Это для того, чтобы не выбрасывать сделанную вами не по технологии матрицу, например, за 40 000 рублей, а вернуть ее в дело, чтобы она «дозрела». Качественно сделанная матрица в этих манипуляциях не нуждается. Имейте в виду, что статическое электричество действует на спиртовой разделитель, как и на пыль, и на гелькоут. Поэтому, если у вас есть проблемы с образованием своеобразного рисунка из капелек на матрице при напылении, озадачьтесь одним из способов преодоления данного фактора: 1. приобретением специального антистатического пистолета. Это устройство заряжает воздух, проходящий через него, в заряд, находящийся на поверхности матрицы. При обдувании формы таким устройством сдуваемая с нее пыль не возвращается обратно, и распределение наносимого материала становится равномерным, а не в виде «морозных узоров»; 2. используйте антистатические салфетки для превентивного обтирания матриц перед нанесением; 3. применяйте антистатический гелькоут для изготовления матриц; 4. регулируйте влажность в помещении. Нормальная влажность 50–70%. При влажности больше этих показателей ухудшается отверждение полиэфирных материалов. А влажность 40% и ниже ведет к резкому возрастанию действия статических зарядов. Если высохший слой спиртового разделителя становится шероховатым и ворсистым, значит у вас в помещении пыльно, или грязь попала в емкость, где он хранится. Напылять разделители нужно в стерильных условиях и никогда не допускать их загрязнения в емкостях. Естественно, когда спиртовой разделитель жидкий, он имеет больший объем, и вся грязь тонет в

42

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

слое, а когда он высыхает, и проявляется это «чудо». Важно отметить, что когда вы снимите изделие с матрицы, обработанной спиртовым разделителем, оно будет блестящим и совсем не шагреневым, а еще оно будет липнуть к влажным рукам. Все это изза того, что пленка водорастворимого разделителя перенеслась на изделие. И матрицу, и изделие после спиртового разделителя нужно мыть теплой водой и вытирать насухо, только тогда вы увидите истинную его поверхность! И вот мы подобрались к третьему назначению спиртового разделителя — для разделения моделей с поверхностями из автошпаклевки. Сколько возражений от педантов, следующих инструкциям производителей, было выслушано мною по этому поводу! У меня один ответ: у меня получается так, как нужно, а у вас по инструкциям — нет. Что тут еще объяснять? В нашей работе, чтобы создать новую матрицу/ форму, нужна первичная формообразующая поверхность. Это может быть болван из МДФ (прессованный картон) или модельного пластика (что предпочтительнее), изготовленный на хорошем (опять же предпочтительнее) или не очень (потребуется много автошпаклевки) станке ЧПУ. Или просто чужое изделие с установленной вами на него отбортовкой из ламинированной древесно-стружечной плиты, которое вы решили «спионерить» у более успешного конкурента, исправив при этом «Вселенскую несправедливость» по отношению конкретно к вам. Копировать друг у друга изделия придумано давно, и не мной. Это, так сказать, любимая народная забава. Поэтому прибегать к этому способу или нет — решать вам. Мне хотелось бы, чтобы потребители композитных изделий не страдали от покупки низкосортных реплик чьей-то неплохой идеи. Поэтому должен вас предупредить, что «пионерить» форму с готового изделия нужно с умом. Во-первых, изделие имеет усадку по отношению к матрице примерно 1–2 мм на каждые 70–80 см по любой стороне. Чем сторона длиннее, тем больше усадка. Это относится и к литьевым, и к формованным изделиям. Если для вас критичны внешние размеры изделия, придется нашпаклевать эти украденные усадкой миллиметры. Во-вторых, изделия зачастую имеют нежелательные деформации по сравнению с матрицами/формами, в/на которых они изготовлены. Особенно, если это литьевые изделия, особенно — мойки с длинным крылом. Что проявляется как кривизна поверхностей, которые должны быть ровными. Таким образом, если вы не хотите в своей форме расширить и углубить эти деформации, которые станут видны невооруженным глазом, вам придется искривления на изделии — доноре зашпаклевать. И придется зашпаклевать просверленные на изделии отверстия и фрезеровку по периметру, а, возможно, и нарастить край изделия по периметру из автошпаклевки. А еще, чтобы вы выиграли любой суд по претензии правообладателя эксклюзивной модели, нужно изменить это изделие хотя бы на пару декоративных проточек. И

Материалы тогда в Вашем случае будет так, как сказал Фестер Адамс: «Ничего не удалось доказать». (Примечание автора: ни к чему не призываю, просто знаю законодательство) Таким образом, вы дорабатываете изделие — донор формы. И в умелых руках такая доработка может даже улучшить первоначальную задумку создателя. В результате мы получаем формообразующую поверхность для создания матрицы, на 30–80% покрытую автошпаклевкой. Вот здесь я должен открыть для вас ту самую «горькую правду»: никакие восковые и перманентные разделители не способны победить автошпаклевку! Эта глинистая масса успешно поглощает все, что придумано отечественным и импортным химпромом. Сформованная матрица всегда будет прилипать, какой бы разделитель вы не использовали. Так как же нам, борцам с «Вселенской несправедливостью» получить для себя «спионеренную» матрицу? Выход есть. Их даже два. Один, правда, не очень привлекательный: использовать топкоут для модельных работ, который предлагают многие фирмы — изготовители полиэфирных смол. Тогда вам нужно заматовать наждачной бумагой Р150–Р200 всю поверхность изделия и покрыть её модельным топкоутом. При этом размеры изделия увеличатся на 0,7–1,2 мм в каждую сторону. А еще вам придется провести несколько дней в тяжелом труде, выравнивая после этого нанесения шагреневую поверхность наждачными бумагами с зерном: Р100, Р220, Р400, Р1000. Если вы

проточитесь до автошпаклевки, придется покрыть изделие топкоутом заново и опять шлифовать. Потом надо будет обработать поверхность разделителем (восковый или перманентный — не важно) и формовать матрицу. Матрица успешно снимется с формообразующей поверхности. Но для «продвинутых» борцов с «Вселенской несправедливостью» есть другой более быстрый путь. Отшпаклеванную и выровненную шлифовкой поверхность изделия-донора покройте слоем спиртового разделителя, который можно распылить или, как было уже описано выше, нанести вручную. Поверх него нанесите 1–3 слоя воскового разделителя и растирайте его после каждого нанесения. Да-да, это камень преткновения для педантов, привыкших, следуя инструкциям, наносить спиртовой разделитель только поверх воска. Здесь всё наоборот. На отшлифованную и обезжиренную поверхность изделия сплошняком наносим спиртовой разделитель при помощи тряпочки или напыляем согласно описанной выше технологии. После полного высыхания повторяем процедуру. Далее на высохший слой спиртового разделителя наносим восковый. А затем формуем матрицу. И — о чудо! Матрица всегда, на все 100%, идеально сходит с формообразующей поверхности. Не забывайте, что можно при этом финишную обработку формообразующей поверхности закончить и на Р100. Все прекрасно снимется, но придется шлифовать снятую матрицу с Р200 до Р1500. Если

Материалы обработать формообразующую поверхность до Р400, матрицу нужно шлифовать только Р1000, Р1500, а потом (если нужно) полировать. Чем хорош этот способ? Тем, что поставить отбортовку на изделие–донор, отшпаклевать, нанести спиртовой и восковой разделители, сформовать матрицу можно за один день. Пользуясь модельным топкоутом, вы потратите неделю и дополнительные средства при том же конечном результате.

2. Восковые разделители 2.1. Современные воски До появления и распространения перманентных жидких разделителей, антиадгезионные воски применялись повсеместно для самых разных работ: от модельных до серийного производства изделий. К сожалению, с тех «давних» времен и качество полиэфирных материалов, и мастерство тех, кто ими пользуется, ухудшились. На заре внедрения стеклопластиков производители исходных материалов прилагали немало усилий, чтобы доказать, что новый продукт (полиэфирные материалы) имеет право на существование, и использовали для производства смол и гелькоутов лучшие ингредиенты. В настоящее время эти вершины ими уже взяты, и, к сожалению, вступает в силу основное правило «евромаркетинга»: продукт ни в коем случае не должен давать больше, чем заявлено. Простой пример — смола «Органики Сажины 109 АВТП». Когда она только появилась, позиционировалась как конструкционная, была исключительно низкоусадочной и подходила как для производства матриц, так и для литья кварцевых изделий. Теперь можете ее не искать, это просто средненькая конструкционная смола. Что же касается мастерства... За последнее десятилетие появилось много специалистов, которые, так или иначе, контактировали с композитными материалами. Среди них достаточное количество тех, кто заявляет, что в сфере полиэфирных материалов он всё знает и всё умеет. И тут, соглашусь, сразу трудно отделить истинных мастеров от лжеспециалистов. Не следует принимать на работу тех, кто уверенно научился работать «на глазок» и совсем не представляет в голове то, что делают его руки. Гораздо эффективнее найти действительно компетентного и проверенного специалиста и собрать вокруг него команду новичков, которые изначально будут учиться работать правильно и вдумчиво. Для подбора этого самого «сенсея» не жалко потратить и время, и деньги. Другие же «специалисты» могут привить на производстве ошибочные приемы работы с композитами. Например, если в инструкции сказано, что пленка воскового разделителя при полировке очень чувствительна к грубым движениям тряпкой, значит так и есть. Можно 4 раза нанести восковый разделитель, каждый раз через 15 минут нежно растирая излишки чистой фланелевой тканью, выжидая 10 минут до следующего нанесения, и получить с матрицы 6 уверенных съемов до однократного обновления

44

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

разделительного слоя, как заявлено производителями воска. А можно нанести 8, 10, 12 раз, и просто стирать каждый раз разделитель грязной тряпкой, прижимая на углах, царапая поверхность пуговицами, не срезанными с тряпки из ветоши, и получить адгезию изделия к матрице с первого раза. И потом услышать: «Я заставил рабочих нанести воск 18 раз, и все равно все прилипло! Это плохой разделитель!» Может быть, в этом случае следует подумать не о качестве материала, а о правильности своих логических заключений? Перечисленные в начале статьи восковые разделители различаются между собой в основном тугоплавкостью и легкостью полировки. Причем те, которые растираются труднее, образуют более стойкую разделительную пленку, а, следовательно, и обеспечивают более надежное разделение и большее количество съемов. Общее количество съемов при производстве стандартных гелькоутных изделий после нанесения воскового разделителя обычно не превышает 6–8. После этого производится однократное обновление разделительного слоя и опять столько же съемов. Кроме необходимости часто обновлять разделительный слой, воски имеют и еще одно неудобство: наслоение разделительных пленок постепенно кристаллизуется. Это выглядит как устойчивое помутнение отдельных участков матрицы, а в «запущенных случаях» — шероховатость и заскорузлость. Всё это трудно отмывается. То есть, даже обрабатывая поверхность большим количеством самой эффективной смывающей воск жидкостью, вы никогда полностью не уберете все пятна. Возможно, смоется 50–70%, но все равно остаток придется удалять с помощью наждачной бумаги. Наиболее действенный и экономичный метод удаления — перешлифовка. Шлифовать придется в любом случае. Поверхность шлифуется с водой наждачной бумагой с зернистостью согласно последовательности Р400–Р1000–Р1500, если нужно, затем полируем. И вновь наносится базовый слой разделителя. Если при перешлифовке вы сразу начнете самоотверженно тереть кристаллизовавшийся воск бумагой Р400, то ничего у вас не выйдет. Бумага сразу забивается воском. Получается, что прежде чем бумага начнет действительно шлифовать, нужно потратить огромное количество этого недешевого абразивного материала. «Продвинутые шлифовщики более высокого уровня» придумали натирать наждачную бумагу мылом и смывать матрицу мыльной водой при шлифовке. Это немного облегчает дело, но, согласно моему опыту, не более чем на 5–6%. Существует еще более высокий уровень проведения данных работ. Чтобы его достичь, достаточно просто сначала нанести на поверхность, которую собираетесь шлифовать, полировальную пасту, например Oskar’s М50, и затем сполировать овчинным кругом. Этим вы, конечно, не снимите закристаллизовавшиеся пятна, но зато уберете весь жирный налет воска с поверхности матрицы. И при последующей шлифовке наждачная бумага забиваться не будет.

Материалы Несмотря на появившиеся в настоящее время перманентные разделители, воски не сдают своих позиций. Итак, первое полезное применение восков — создание разделительного слоя на глянцевых поверхностях. Кроме восков из известных разделителей на это способен еще только «Локтайт Воло». Остальные агенты, создающие более-менее постоянный антиадгезионный слой, дают разводы, поэтому применяются не на глянцевых матрицах. Но об этом далее. Именно с помощью восков можно сделать поверхность матрицы без разводов и с идеальным глянцем. Последнее, конечно, зависит от качества полировки. Для того чтобы идеально отполировать поверхность, нужно, прежде всего, шлифовать ее «правильными» материалами, например, наждачной бумагой «3М» (многие более дешевые аналоги оставляют царапины, так как не имеют такой идеальной селективности зерна) и полировальными пастами «Оскарс М50» и «М100» или «Буффа М50» и «М100». Но это так, к слову... Воск наносится на идеально отполированную поверхность. Он является и порозаполнителем, и разделителем в одном лице. В этом случае наносить воск нужно именно так, как описано в штатной инструкции к нему: натираем аппликатором (кусочком мочалки) без образования видимых разводов материала, достаточно чтобы на отблеск поверхность имела жирный блеск. Это должно быть сделано с особой тщательностью и без просветов. Если аппликатор слишком насытился

и стал, как говорится, «мазать», то рекомендую его утилизировать и заменить на новый. Стоимость его невелика. После нанесения первого слоя оставляем форму при комнатной температуре на 15 минут. При этом на границе поверхности матрицы и разделителя создается полимерная пленка. Излишки разделителя (матовый налет) аккуратно стираем куском фланели (байки) размером 40×40 см, сложенным вчетверо. Когда одна из сторон тряпочки забивается разделителем и перестает чисто удалять излишки, перекладываем ее другой стороной. Одной тряпочки хватает на 1 м² поверхности. Нельзя сильно нажимать на тряпку, особенно на острых выпуклых углах матрицы. Пленка невидима, и протерев ее, вы обнуляете текущий разделительный цикл. Давить нужно только весом руки. Если вы слишком жирно нанесли воск, то в этих местах излишки его будут стираться труднее. Нельзя давить, можно только чаще менять запачканную тряпку. Наберитесь терпения и постепенно располируйте проблемный участок без нажима до достижения полного глянца. После этого идет период ожидания, когда 10 минут вы ничего не делаете с матрицей. В это время очищенная от излишних наслоений полимерная пленка воскового разделителя взаимодействует с воздухом и набирает прочность. Если не выждать, и сразу нанести новый слой воска, полимерная пленка от прошлого нанесения может раствориться, и вы опять обнулите достигнутый результат. Для получения качественного антиадгезионного слоя весь цикл нанесения воска следует повторить 4 раза. После этого необходимо

Материалы дать полимерной пленке воска окрепнуть в течение получаса, и только затем можно приступать к эксплуатации матрицы/формы. Второе ценное применение восков — это ремонтный разделитель. В настоящее время многие производители изделий из композитов перешли на применение более «долгоиграющих» перманентных разделителей. Когда у нас работает конвейер, матрицы неизбежно получают царапины (особенно при их расформовке), а снимать их для проведения процедуры нанесения жидкого перманентного разделителя нет ни времени, ни желания. Дело в том, что по штатному разделителю новый слой нужно наносить целиком, так как локальные «мазки» того же разделителя к поверхности хоть пристанут, но будут рельефными. А это значит — формы нужно снимать с производства, мыть и заново полностью покрывать антиадгезионным агентом. Вместо этого даем работникам конвейера банку воска и инструктируем: после съема изделий на все видимые царапины и отбортовку матрицы (включая направляющие бобышки) наносить тонкий слой воска, причем локально (только царапины, только отбортовку). Затем ожидать 15 минут и растирать чистой фланелевой тряпочкой без нажима на лицевой поверхности — до блеска. Один раз. После этого начинать сборку матриц. Пока идет сборка (соединение разъемных деталей, установка крышек), или пока работники проходят с ремонтными работами от начала ряда до конца, проходит не менее 10 минут. А значит, после их окончания, можно сразу формовать новую партию изделий. По базовому перманентному разделителю отвердевший воск стирается очень легко. А нам это и надо. В обезжиренной механическим воздействием царапине воск прекрасно держится. Получается, что ремонтным воском мы избирательно обрабатываем повреждения, не влияя на основную поверхность. Мне достоверно известно, что все перечисленные выше воски хорошо взаимодействуют с перманентными разделителями «Локтайт Воло», «Локтайт 770 НЦ», «Экстенд 19 ЗАМ». Разделитель «Зайвакс», который я использовал много лет назад, белел пятнами и полосами и становился матовым, если обработать его воском. Это, и еще так называемый «первый трудный съем» изделия мне настолько не понравились, что я забыл о нем на много лет. Возможно, современные разновидности «Зайвакса» и дружат с восками, но это предстоит проверить вам, так как у меня есть набор необходимых разделителей, и «Зайвакс» в этот список не входит. К моменту, когда необходимо обновлять перманентный разделитель на матрицах, воска на нем уже нет, он давно стерт тряпками и унесен отлитыми (отформованными) изделиями. Он остался только в глубине царапин. Если повреждения матриц настолько незначительны, что вы не хотите их зашлифовывать или ремонтировать гелькоутом, то ничего страшного, наносите обновляющий слой перманентного разделителя прямо по царапинам с воском. Какая вам разница: будет в этом месте работать постоянный антиадгезионный агент или воск? Главное, что

46

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

разделение происходит, и никаких отрицательных моментов это не вызывает. Третье применение восков — для съема матрицы с болвана (мастер-модели). Воск в этом случае наносится по слою спиртового разделителя. Сам по себе слой спиртового разделителя всегда после высыхания имеет некоторые шероховатости. Он покрывает болван тонким сплошным слоем, запечатывая все поры, и служит надежным барьером сополимеризации болвана с формуемой на нем матрицей. Но слой спиртового разделителя настолько тонок, что на его поверхности копируются даже мельчайшие царапинки от 400-й наждачной бумаги. Поэтому снимать матрицу с болвана только по спиртовому разделителю «насухую» не особо приятно. Слишком много механических зацепов. И здесь на помощь нам приходит восковый разделитель. Ведь только он способен заполнить мелкие неровности по слою спиртового разделителя. Наносим восковый разделитель по высохшему спиртовому, ждем 15 минут, растираем излишки фланелевой тряпочкой, ждем 10 минут, наносим еще. Так 2–3 раза. Этого достаточно для комфортного съема матрицы с болвана. При помощи такой техники можно снимать слепки даже с проблемных объектов, например с деревянной коры. В настоящее время необычайную популярность приобрела техника безгелькоутного литья изделий. В связи с этим на передний план выдвинулись восковые разделители и перманентный разделитель «Экстенд 19 ЗАМ». Но о нем — позже. Итак, четвертое применение восковых разделителей — для безгелькоутного литья. Причина популярности восковых разделителей кроется в чрезвычайной прочности образуемой ими антиадгезионной пленки. Несмотря на то, что в обычных условиях гелькоутной технологии воски работают гораздо меньшее количество съёмов, по сравнению со всеми перматентными разделителями, безгелькоутную заливку они выдерживают, а перманентные — нет. Не знаю, как это выглядит на микроскопическом уровне, но факт остается фактом. Известны способы безгелькоутного литья открытым способом на вибростоле, когда формовочная смесь заливается в матрицу через широкое отверстие в крышке или более узкое — вокруг горловины слива. При этом воздух из смеси, залитой в матрицу, выгоняют вибрацией. Другой способ — нагнетание вакуумированной смеси через нижнюю точку при помощи заливочной машины, без вибрации. Этот способ, несомненно, является более «продвинутым». Однако такие перманентные разделители, как «Локтайт» и «Зайвакс», предназначенные для классической гелькоутной технологии, не выдерживают абразивного износа при движении наполненной смолы (особенно наполненной песком) по матрице. Было также испробовано много новых современных и дорогих постоянных разделителей, но все отлитые в обработанных ими матрицах без использования гелькоута изделия прекрасно прилипали к формам. Максимум на что они способны — это один уверен-

Материалы ный съем, потом обновление разделительного слоя. И это при щадящей нижней заливке. Вибростол не выдержал ни один из них. Так зачем платить больше? Любой восковый разделитель уверенно выдерживает одну безгелькоутную заливку, в том числе и вибростол. А высокотемпературный воск «Ижвакс Фторированный» — даже две! При применении восков для безгелькоутного литья есть свои хитрости. Первую обработку матрицы воском мы производим классически, согласно инструкции производителя. А вот обновления — иначе. После съема изделия, не дожидаясь остывания матрицы, сразу обдуваем ее от мусора, при необходимости пользуемся пластиковым шпателем (банковская карточка для этих целей вполне подойдет). Наносим воск аппликатором (мочалкой). И сразу же растираем его куском фланели размером 10×10 см, сложенным вчетверо. При этом такой маленькой тряпочкой мы не удаляем воск, а лишь равномерно распределяем его. Матрица остается жирная, покрытая воском, но без разводов. Когда маленькая тряпочка забивается настолько, что начинает оставлять разводы, просто перелистываем ее на чистую сторону. Одной тряпочки-аппликатора хватает на 10–15 литьевых матриц. Матрица 100%-но отрабатывает первый цикл формования и уверенно отлипает во втором. Потом все повторяется. Это быстро и практично. Правда, через 3–4 недели при 5–6 заливках в день, матрицы начинают «матоветь» от кристаллизации воска, но он закристаллизуется и при штатном применении,

когда мы согласно технологии выдерживаем между нанесениями 15 и 10 минут соответственно. В целом, есть около 100 заливок, потом матрицу перешлифовывают и заново наносят базовый слой разделителя.

2.2. Устаревшие воски Считаю необходимым вспомнить здесь самые первые разделительные воски: «Норпол В-70» и «Оскарс М700». Несмотря на большие неудобства в их использовании, они до сих пор имеют приверженцев, которые работают только с ними. Дело в том, что эти воски образуют трудноудаляемую пленку, в том числе и матовую ее часть. Если работать с ними как с привычными восками, описанными мной в пункте 2.1, то после нанесения и ожидания в течение 15 минут стереть матовый налет уже невозможно. Однако если вы исхитритесь нанести воск сразу без разводов, то растирать его и не нужно. При этом образующаяся пленка будет прочнее, чем у обычных восков. Соответственно, она даст больше съемов без обновления слоя. В общем-то, из положительных моментов это и все. Поэтому я не являюсь фанатом данных антиадгезивов. Наносят эти воски примерно так, как описано мной в разделе про обновление разделительного воскового слоя при безгелькоутном литье. Только для этих несколько устаревших видов восков такой способ нанесения практикуется и для базовой обработки, и для обновления слоя.

Материалы

На фото показано нанесение воска «Norpol wax». Он помещается в мешочек из фланелевой ткани. Мешочек скручивается до пропитывания воском, и в таком состоянии мы натираем поверхность матрицы. Следим, чтобы после натирания не оставалось слишком рельефных разводов. Обработав таким способом участок матрицы 10–20 см², сразу же растираем воск кусочком фланели 10×10 см, сложенным вчетверо. При этом воск не стирается «досуха», а лишь распределяется без видимых разводов. Полностью покрыв поверхность матрицы таким способом, даем ей выстояться столько, сколько сказано в инструкции к нему (6 часов на 1 слой). Проводим рекомендованное количество обработок (4–6), после последней из них даем выстояться согласно рекомендациям производителя (24 часа). Затем начинаем эксплуатацию матрицы. При обновлении разделительного слоя производим все те же работы, только — однократно. Проверено: эти воски (в отличие от описанных в пункте 2.1) не способны выдержать безгелькоутную заливку. Матрицы, обработанные ими, прилипают с первого раза. По сути, они не годятся и для съема матрицы с болвана. Сомнение вызывает и их применение как ремонтного разделителя, так как слой не стирается при располировке, значит образует нежелательный рельеф, как ты его не растирай «насырую». Данные воски пригодны только для классической гелькоутной технологии, где изделие покрыто декоративным слоем.

3. Перманентные разделители На заре их появления продавцы гордо называли этот продукт «семиперманентный» разделитель. Видимо, им импонировал фонетический намек на то, что разделитель семь раз постоянный. Их не смущало то, что в переводе приставка semi означает «около

48

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

того», «возле», а словосочетание semi-permanent значит — полупостоянный. Что доказывает не уникальность продукта, а глупость этого бахвальства... Производители химических продуктов сразу же объявили это изобретение научным прорывом, и во всех специализированных журналах гордо писали, что их разделитель обеспечит до 40 съемов без обновления! А другие считали, что их переплюнули, и заявляли, что их агент позволит произвести до 70 съемов! И все они дружно ломили за них несоизмеримые цены. Как обычно (примечание автора: для всех исследований, проведенных производителями исходных материалов), количество съемов определяли на ровной полиэфирной пластине в стерильных лабораторных условиях, что, мягко говоря, не вполне корректно. Когда в процессе промышленного использования стало ясно, что на простых матрицах и в чистых условиях перманентный разделитель способен обеспечить 15–20 съемов, а в большинстве случаев (ведь значительное количество матриц — сложные, с малым уклоном на почти вертикальных длинных стенках; да и на подавляющем количестве производств грязно и пыльно) — 10 съемов, их пыл поубавился. Между тем перманентные разделители получили широкое распространение, и цена их снизилась до приемлемых размеров. А продавцы, наконец, стали их презентовать согласно правильному переводу, как полупостоянные. Это мы — производители изделий из композитов придумали, как реализовать анонсированные 40 съемов без обновления перманентного разделителя в реальных «боевых» условиях. Когда формы получают царапины от пыли через 10 заливок (формовок), это начинает существенно затруднять съем и грозить прилипанием. Тогда мы локально наносим на матрицу ремонтный восковый разделитель по описанной выше технологии. И да, тогда до обновления слоя

Материалы перманентного разделителя матрицы можно эксплуатировать вплоть до 40 съемов. Но придумали это далеко не в лабораториях, а в заводских цехах. А почему же полупостоянный? На сегодняшний момент и в ближайшем обозримом будущем существующие перманентные разделители — самые постоянные из тех, что есть на рынке. Правильнее бы было полупостоянными называть воски. Перманентные разделители в потребительском смысле различаются «эффектом первого съема» и прочностью — толщиной защитной пленки. У таких маститых производителей как «Экстенд», «Зайвакс», «Локтайт» большой ассортимент постоянных разделителей. У менее известных — их тоже достаточно много. И для каждого из них производители придумали свое неповторимое предназначение. Ключевое слово здесь «придумали». В нашем же потребительском смысле у каждого прославленного производителя есть 1–2 продукта, которые действительно интересны и уникальны в плане применения, остальные — простое продолжение линейки товаров данной марки. Для нас, потребителей, гораздо выгоднее пользоваться как раз этими выдающимися, произведенными разными производителями, чем использовать всю линейку, включающую «средненькие» аналоги. Я опишу ниже те продукты, которые помогают в моей работе, и потому взяты на вооружение.

«Локтайт Воло»

Достаточно давно известный препарат. Он интересен тем, что способен давать глянцевую поверхность, по качеству близкую к поверхности, получаемой при помощи восков. Обусловлено это, прежде всего, механизмом работы этого перманентного разделителя: после нанесения и выдержки, согласно заводской инструкции, его нужно растирать чистой безворсовой тканью (это может быть качественная фланель или

специальное хлопчатобумажное (х/б) полотенце). Как и воск, после нанесения этого состава, он подсыхает и полимеризуется с образованием матового налета. При аккуратном удалении этого налета на поверхности матрицы остается полимерная высокоблестящая антиадгезионная пленка. Наносится и растирается «Локтайт Воло» легче, чем воск. При нанесении нужно лишь избегать образования потеков от излишне смоченного аппликатора (х/б тряпочки, сложенной в несколько раз). Это позволяет экономно расходовать препарат и легко удалять матовость после высыхания. По моим замерам на одну обработку матрицы кухонной мойки с одной чашей размерами 50Х70 см тратится 2,5–3,0 г этого препарата. В условиях гелькоутной технологии, когда изделие покрыто декоративным слоем, этот разделитель способен обеспечить до 8 уверенных съемов между нанесениями. В настоящее время из-за моды на матовые (сатиновые) поверхности этот разделитель применяется реже.

«Локтайт 770 НЦ»

Относительно новый препарат в линейке производителя «Локтайт». Первоначально позиционировался дилерами, как универсальное «средство от всех болезней»: для обработки металлических матриц, подвергающихся высокотемпературному разогреву, для получения глянцевой поверхности без «утомительной полировки», для применения при безгелькоутной технологии и так далее. Мы уже долгое время работаем с этим препаратом, и он совсем неплох в соотношении «цена — качество». Не знаю, как на счет его применения с металлическими матрицами, однако для композитных форм порядок его применения совсем не такой, какой заявляют. Разделитель наносится на матрицу тряпочкой, как и «Локтайт Воло», тонкой пленкой, но после полного высыхания он не образует матового налета.

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

49

Материалы Поэтому его не нужно располировывать. Однако для глянцевых матриц он не пригоден, так как образует достаточно заметные разводы даже в стерильных условиях. Эти разводы заметны и на изделиях. А уж в рабочих условиях с пылью и грязными тряпками и подавно разводы доминируют. При желании разводы можно располировать чистой фланелькой, но сделать это очень нелегко, и это сокращает срок использования матрицы между обработками с 8–9 до 4–5 съемов. Видимо, полимерная пленка истончается от полировки. Нормально его применять можно на шагреневой и сатинированной поверхности матриц (например, для столешниц и моек) и при гелькоутной технологии. Здесь он заметно облегчает производственный процесс. Разводы не заметны и на таких матрицах, и на изделиях. Можно наносить много раз без образования на матрицах помутнений и кристаллизации, как это происходит с восками. Для безгелькоутного литья он не подходит. Вернее, мы его применяем, но не так, как подразумевалось. Если нанести «Локтайт 770 НЦ» на лицевую матрицу и залить в нее безгелькоутную смесь на вибростоле, то изделие прилипнет к форме сразу же. Если у вас есть автокастер (заливочная машина с вакуумированием смеси), то использовать вибростол вам и не нужно. Пузырей в изделиях и так нет. При такой заливке лицевая матрица, обработанная «Локтайтом 770 НЦ», выдерживает до обновления слоя разделителя 1–2 съема. Поэтому ранее я и сказал, что исходя из цены и удобства работы, проще использовать воски, которые тоже дают 1, 2, 3 съема. При заливке с автокастером без гелькоута и без вибрации мы используем «Локтайт 770 НЦ» для обработки крышек матриц (пуансонов), нанося его тряпочкой. Благодаря этому мы без лишних хлопот получаем красивую чистую тыльную сторону изделий. И, как ни странно, на крышках «Локтайт» выдерживает между обновлениями до 8 съемов. Видимо абразивный износ на крышке действует гораздо меньше, чем на лицевой матрице. Если судить по количеству представленных на

рынке моек с неровными и пузырчатыми поверхностями, не все производители знают, чем правильно обрабатывать крышки своих матриц. При использовании вибростола крышки обрабатывают воском. «Локтайт» этого не выдержит. Что, как я думаю, доказывает большую прочность полимерной пленки восковых разделителей. Постоянное нанесение перечисленных выше разделителей в условиях осаждения пыли из воздуха на мокрую пленку (например, когда наносите их прямо на конвейере) приводит сначала к помутнению матрицы, а потом — к обрастанию нежелательной шагренью. Это связано с включением наслоений пыли в состав полимерной пленки. Для того чтобы от этого избавиться, матрицы периодически обрабатывают смывающими растворами. И самым действенным из них является «Экстенд СХ 500». С его помощью можно удалить помутнения, образованные применением этих перманентных разделителей (не от восков!), без применения наждачной бумаги. Перед базовым нанесением, как на новую, так и на отремонтированную матрицу двух упомянутых выше разделителей, необходимо обработать её поверхность порозаполнителем. Для «Локтайтов» рекомендуется «Локтайт ФМС», но подходят также и аналогичные по функциональному назначению продукты и других марок (сейлеры, грунты), например «Сейлер Зайвакс». Почему при этом не происходит страшных химических реакций и отторжений антиадгезионной пленки, в качестве обещанной кары при применении порозаполнителей конкурирующих фирм? Тут надо вспомнить технологию нанесения порозаполнителя: его не нужно сушить на матрице. Вы наносите мокрую пленку сейлера и сразу стираете ее сухой тряпочкой. При этом препарат запечатывает микропоры поверхности, только поры. Он не лежит на матрице пленкой. Ему это не нужно. Следовательно, он практически не контактирует с разделительными пленками. Да и химически все сейлеры, видимо, все-таки похожи.

Материалы «Экстенд 19 ЗАМ»

Это особый и весьма мною любимый антиадгезионный агент. Сразу хочу дать совет мастерам-технологам: не наносите его на поверхность с помощью тряпочек, как написано в инструкции. «Экстенд 19 ЗАМ» образовывает очень плотную и толстую разделительную пленку. Если наносить его тряпочкой, то уже с первого раза вы увидите рельефные ощутимые рукой разводы, а после нескольких нанесений рельеф возрастет. Как же с ним можно работать? Не так, как в инструкции. Пока это единственный готовый заводской разделитель, который способен обеспечить при безгелькоутной технологии на лицевой матрице до 8 съемов как при использовании автокастера, так и на вибростоле. Он быстро и без проблем обновляется, не нуждается в применении порозаполнителя и имеет еще ряд других менее явных преимуществ.

Кроме «ЗАМ 19» мне известен еще только один перманентный разделитель, способный выдержать 8 съемов при производстве безгелькотуных изделий. Он гораздо дешевле «Экстенд 19 ЗАМ», и, как это ни удивительно, даже его название не является секретом. Секрет в конкретных особенностях работы с ним, при которых он способен образовывать прочную разделительную пленку. Возможно, даже сам производитель не знает, как такую пленку получить и чем смывать отработавший слой такого разделителя. Это разделитель «Пента 119». Но покупать его без должных знаний и практического опыта использования, я не советую. Он не сохнет на матрице ни при каких условиях, и его невозможно смыть ни одним из предложенных производителем составов. А, между тем, «правильным» составом он смывается очень хорошо. Но эта технология – секрет конкретного изготовителя моек. И я не буду здесь ее озвучивать. К слову, «Пента 119» имеет массу отрицательных моментов, по причине которых мы, несмотря на дешевизну, используем в производстве «ЗАМ 19». И эти моменты я вполне могу перечислить, чтобы вы не рвались лишний раз «до дешевого»: 1. разделитель «Пента» — канцерогенен, способствует возникновению раковых опухолей (в общем, на этом можно и закончить, но я продолжу); 2. разделитель «Пента» обладает очень сильным едким запахом, и никакая индивидуальная защита и вентиляция не спасает тех, кто с ним контактирует; 3. антиадгезионная пленка, образуемая «Пента 119», готова к работе минимум через 12 часов после нанесения, в то время как форму, обработанную «ЗАМ 19», можно эксплуатировать через 30 минут; 4. «Пента 119» прочно сшивается с материалом формы. После мытья смывающими агентами и даже шлифовки наносить на такую матрицу можно только этот же антиадгезив. Никакие гелькоутные ремонтные покрытия и никакие другие разделители уже не держатся на поверхности. Поэтому, если вы, разочаровавшись в «Пента 119», захотите сменить разделитель, вам придется это сделать только вместе с парком матриц, на которых его использовали.

Перейду к описанию технологии правильного применения «Экстенд 19 ЗАМ». Начну с ряда особенностей, которые необходимо учесть при его использовании. Например, отсутствует необходимость в порозаполнителе. «Экстенд 19 ЗАМ» не смывается смывающими агентами. Любой потек этого разделителя нужно зашлифовывать с применением наждачной бумаги. При долгом использовании одной банки от постоянного открывания и попадания воздуха он может зажелироваться, и пользоваться им будет невозможно. Рекомендую хранить банки с «Экстенд 19 ЗАМ» в холодильнике, желеобразования не произойдет. Напылять его можно холодным, а потом опять ставить в холодильник, это никак не ухудшает свойства покрытия. Заливать/формовать изделия можно уже через 30 минут после нанесения разделителя. Поверхность матрицы со слоем «Экстенд 19 ЗАМ» всегда легко очищается от пыли воздухом или тряпочкой с воздухом. Новые профилактические слои, наносимые по старым, никогда не слущиваются, они прекрасно сополимеризуются. Он не усиливает статические эффекты, как воски. Вспомните, всех, наверное, било разрядом, когда снимали изделие с навощённой матрицы? А здесь — нет, и пыль не прилипает. При многократном обновлении слоев нет помутнения и перекристаллизации разделителя, как у восков. Поверхность всегда остается чистой и привлекательной на вид. Итак, первое нанесение осуществляется согласно нижеописанной технологии. «Экстенд 19 ЗАМ» напыляем из пистолета серии САТА, дающего ровный мелкодисперсный распыл. Новая, качественно обезжиренная поверхность формы, то есть помытая после шлифовки средством для мытья посуды, а после — чистой водой и просушенная феном, покрывается сразу этим антиадгезионным агентом. Нанесение КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

51

Материалы идет в один прием, при котором на одну форму кухонной мойки с одной чашей, размерами 50Х70 см, тратится 300 г данного разделителя. В пистолет сразу дозируется это количество, и нанесение ведется кругами, пока весь загруженный разделитель не израсходуется. «Экстенд 19 ЗАМ» быстро высыхает. При нанесении нужно выбрать такое расстояние и интенсивность струи пульверизатора, чтобы там, где наносите, вы видели мокрое пятно, но при этом потеков быть не должно. Мокрое пятно высыхает сразу после смещения на другой участок, поэтому наносить приходится «вслепую». Для этого нужен опытный маляр, который представляет себе, где он уже нанес антиадгезив, а где — нет. Такой способ нанесения гарантирует равномерное покрытие. Если напылять без мокрого пятна, отвердитель сохнет в воздухе, и большая его часть улетает «в трубу». А меньшая — образует грубую, некрасивую шагрень на матрице. Если допустить потек, он будет заметным на матрице и изделиях с нее. Его будет уже не удалить без перешлифовки и повторного нанесения разделителя. Правильное нанесение «Экстенд 19 ЗАМ» дает на матрице, ошлифованной наждачной бумагой с зерном Р1500, красивую сатиновую поверхность. Расскажу о дальнейшей эксплуатации обработанных данным разделителем форм. При безгелькоутной заливке матрицы разделительный слой выдерживает 8–10 уверенных съемов. У нас на производстве при автокастере «Респекта» установлен круговой конвейер (рольганги) на 60 матриц. Над ним и под столами установлена система активного пылеудаления. Это значит, что пыль сбивается к полу приточной вентиляцией, висящей над конвейером, и всасывается через трубы с отверстиями, пролегающими под конвейером. Поэтому нам не нужно каждый раз перегонять матрицы в покрасочный бокс для напыления разделителя. Конвейер останавливается на время нанесения разделителя, на полную мощность включается система вентиляции, и открытые матрицы обрабатываются из пульверизатора составом «Экстенд 19 ЗАМ». Каждая матрица и крышка стоят рядом на транспортировочной

доске. Разделитель для экономии напыляют только на лицевые матрицы. При этом часть его попадает на крышки, на которые с помощью аппликатора наносят «Локтайт 770 НЦ». Но никаких отрицательных моментов при этом не замечено, антагонизма между этими составами не наблюдается. Выглядит это так: два рабочих идут впереди по ряду матриц, подчищают прилипшие песчинки заливочной смеси, обдувают матрицы и крышки воздухом. Следом идет рабочий, который наносит на крышки «Локтайт» тряпочкой. Следом идет маляр, который напыляет «Экстенд 19 ЗАМ» на лицевые матрицы. Хорошее освещение здесь обязательно, как и опыт маляра, тогда напыление будет равномерным. При такой профилактической обработке на 1 матрицу тратится 50–70 г «Экстенд 19 ЗАМ». Этого хватает еще на 8–10 съемов. Вся процедура по обработке 60 матриц занимает 1–1,5 ч. При этом бригада по обработке движется в направлении от заливочной машины, и по окончании их пути сразу начинается заливка изделий, так как первые обработанные ими формы уже готовы к работе. Вообще, после такой обработки матрицы можно заливать смесью уже через 30 мин. Момент, когда необходимо обновить разделительный слой, определяют сами рабочие конвейера. Обычно замечают, когда снять изделие с формы при продувке сжатым воздухом становится сложнее. Это значит, что разделительный слой выдержит еще 5–6 съемов. Обычно затруднения в расформовке изделия начинаются, как я уже отметил ранее, через 8–10 циклов производства. В таком режиме слои разделителя на поверхностях форм можно обновлять в течение 1–2 месяцев при 7–8 съемах в день (350 съемов). Потом на матрицах сатиновость переходит в шагрень, которая постепенно укрупняется. Когда внешний вид поверхности матриц перестает нас устраивать, мы отсылаем их на перешлифовку. При этом совсем не нужно удалять весь слой разделителя. «Экстенд 19 ЗАМ» настолько хорошо сополимеризуется с правильно обезжиренной поверхностью формы, что заметить переход, когда вы его стерли до гелькоута невозможно. При перешлифовке оснастчики просто «насухую» выравнивают шагрень с помощью наждачной бумаги с зерном Р400, а потом немного шлифуют с водой и Р1500. Затем осуществляется мойка и сушка матрицы. На работу с одной матрицей уходит около 1 часа. Такой обработки достаточно, чтобы новый базовый слой «Экстенд 19 ЗАМ» создал ровную сатиновую поверхность без следов царапин. Как видите, при правильной организации работ этот разделитель — лучший для безгелькоутной технологии заливки изделий из композитных материалов! Надеюсь, вам будут полезны мои секреты. Больше практической информации вы сможете найти на форуме: www.мастерфорум.композиты.рф От редакции: в статье сохранен авторский стиль повествования.

52

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Оборудование И. О. Котовщиков Инженер ООО «Локус»

Современные мобильные системы неразрушающего контроля изделий из композитных материалов В связи с развитием технологий производства композиционных материалов и изделий из них, постоянно повышаются требования к оборудованию неразрушающего контроля (НК). В современных реалиях оборудование для неразрушающего контроля должно быть не только высокоточным и высокопроизводительным, но и компактным. Благодаря использованию передовых технологий, мобильные системы контроля NDTherm и DolphiCam следуют основным тенденциям в сфере обеспечения качества изделий из композитных материалов.

Оборудование для активной термографии Одним из перспективных методов НК изделий из композиционных материалов является метод активной термографии (АТ) (рисунок 1). Данный метод основан на различии теплофизических характеристик дефектной и бездефектной областей, что отображается в виде неоднородностей распределения тепла. На сегодняшний день, этот метод успешно используется предприятиями, изготавливающими или эксплуатирующими изделия и конструкции из композиционных материалов. Такие крупные иностранные авиастроительные предприятия, как Boeing и Airbus, уделяют особое внимание методу АТ, включив его в свои стандарты предприятия, описывающие процедуру НК фюзеляжа, сотовых панелей и т.п. [1]. Метод АТ внесён в международные стандарты по НК (NAS 410, EN 4179, и т.д.), а также в Российские государственные стандарты (ГОСТ Р 17359-2015, ГОСТ Р 18434-1-2013 и т.д.). Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 56787-2015 [2], посвященный

неразрушающему контролю полимерных композитов, рекомендует метод активной термографии для выявления таких дефектов, как: расслоение, изменение плотности, нарушение связей между компонентами композита, нарушение целостности волокна, разрывы волокна, инородные включения, влага, пористость, изменение толщины, пустоты. Для реализации метода активной термографии используется система NDTherm фирмы Opgal, которая представляет собой высокопроизводительный комплекс средств контроля методом АТ. Общий вид системы с обозначением основных блоков и элементов, приведён на рисунке 1. Результаты проведения контроля с помощью системы NDTherm представляются в виде последовательных термограмм контролируемого участка после обработки специальными алгоритмами. Более подробное описание практической применимости вышеуказанного метода будет описано далее.

Оборудование для ультразвукового контроля Одним из самых изученных и популярных методов НК является метод ультразвукового контроля (УЗК). Ультразвуковые методы дефектоскопии основаны на различии акустических свойств дефекта и основного материала. Ультразвуковая камера DolphiCam, использованная при исследовании метода УЗК, является разработкой норвежской фирмы DolphiTech. Данный прибор предназначен для контроля деталей из углепластика и выявления дефектов типа расслоений, трещин, инородных включений и т.д. Данный прибор исполь-

Рисунок 1. Общий вид системы термографического контроля NDTherm: 1 — блок электронного управления, 2 — блок обработки и анализа изображений, 3 — камера видимого излучения, 4 — ИК камера, 5 — источники теплового возбуждения (галогеновые лампы).

54

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Оборудование Планшетный ПК с управляющим ПО

УЗ-камера

Рисунок 2. Общий вид ультразвуковой камеры DolphiCam и сопутствующего оборудования.

Контактная площадка камеры

а

б

3

Рисунок 3. Результат контроля образца из углепластика с искусственными дефектами типа расслоения с помощью системы NDTherm: а — общий вид образца; б — термограмма образца с выявленными дефектами (в нижней части изображения показаны всплески яркости на дефектных участках). Цифрами обозначены выявленные дефекты.

3

4

1

2

4

а

зует УЗ эхо-метод для одностороннего сканирования изделия на наличие дефектов. Излучателем и приёмником УЗ волн является матрица из ≈ 16 000 пьезоэлектрических элементов, что позволяет покрывать достаточно большой объём изделия одновременно, а также получать 2D и 3D изображения обнаруженных дефектов и определять их линейные размеры. Общий вид оборудования для УЗК представлен на рисунке 2.

Практическое применение оборудования NDTherm и DolphiCam Описанное выше оборудование было использовано для комплексного исследования образцов и изделий из композитных материалов авиационного назначения. Комбинированное использование методов АТ и УЗК позволило добиться успеха в обнаружении таких дефектов, как: расслоения в изделиях из углепластика (рисунок 3), расслоения в сэндвич-панелях, расслоения в алюмокомопзитах (рисунок 4), непроклей в композитных сотовых панелях (рисунок 5), непроклей в металлических сотовых панелях, инородные включения в стеклопластике (рисунок 6), и т.д.

б

Рисунок 4. Обнаружение дефектов типа расслоения в образце из алюмокомпозита с помощью УЗ камеры DolphiCam: а — общий вид образца; б — акустический образ выявленных дефектов и измерение их размеров.

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

55

Оборудование

Сотовая панель 2

3

5 1

4 Рисунок 5. Результат контроля изделия авиационного назначения, выполненного из различных композитов, с помощью системы NDTherm. Пунктиром выделены выявленные дефекты типа расслоения и непроклея.

Композитная структура*

Стеклопластик

Инструменты программного обеспечения системы АТ NDTherm и УЗ камеры DolphiCam позволяют не только выявлять дефекты, но и оценивать их линейные размеры и глубину залегания. Ниже приводятся примеры контроля образцов и изделий из композитов с использованием Активной Термографии NDTherm и ультразвуковой камеры DolphiCam.

а

Заключение

б

1

2

1

3

2

4

4

Рисунок 6. Результат контроля образца из стеклопластика с искусственными дефектами типа инородных включений с помощью системы NDTherm: а — общий вид образца; б — термограмма образца с выявленными дефектами (в нижней части изображения показаны спады яркости на дефектных участках).

56

* Композитная структура, в которой заложены дефекты №1 и №4 представляет собой структуру стеклопластикизоляция-кремнезёмная ткань-резина.

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

На основе проведённых исследований можно сделать вывод, что система активной термографии NDTherm и ультразвуковая камера DolphiCam успешно решают актуальные задачи контроля качества изделий из композиционных материалов. Оба прибора оборудованы специальным программным обеспечением, которое упрощает представление результатов, позволяет проводить их глубокий анализ и оценивать характеристики выявленных дефектов (глубина залегания, размер и т.д.). Приборы мобильны и разработаны для проведения экспресс-контроля. Используемые в них технологии обработки сигналов позволяют эффективно и быстро контролировать изделия из композиционных материалов неразрушающими методами.

Список литературы 1. Вандельт М., Крёгер Т., Йоханнес М. Активная термография — эффективный метод неразрушающего контроля крупногабаритных изделий из композиционных материалов // В мире неразрушающего контроля.

– 2016. – Т. 19. – № 1. – С. 8-12.

2. ГОСТ Р 56787-2015 Композиты полимерные. Неразрушающий контроль.

Технологии www.emtc.ru

МИЦ «Композиты России» разработал компьютерную систему проектирования пресс-форм для литья термопластов Многие виды продукции, характерные для российских машиностроительных предприятий оборонно-промышленного, авиастроительного, судостроительного, ракетно-космического и атомного комплексов, содержат детали сложной формы из пластмасс. Для изготовления таких деталей на термопластавтоматах требуются специальные пресс-формы, стоимость разработки и изготовления которых, особенно при мелкосерийном производстве, составляет значительную часть себестоимости выпуска партии пластмассовых деталей. Проектирование пресс-форм является трудоемкой задачей, требующей высокой квалификации специалистов. Верным и выгодным решением этого вопроса является автоматизация проектирования пресс-форм для пластмассового литья, которая сократит сроки подготовки производства и повысит качество продукции, содержащей детали сложной формы из пластмасс. Специалистами МИЦ «Композиты России» МГТУ имени Баумана была разработана компьютерная

58

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

система автоматизированной поддержки инженерных решений при проектировании пресс-форм для литья термопластов под давлением на термопластавтоматах. «Подготовка производства термопластов связана с трудоёмким процессом проектирования и изготовления специальной оснастки — пресс-форм для литья термопластов под давлением на термопластавтоматах, — рассказывает Владимир Нелюб, директор МИЦ «Композиты России». — Сокращение времени и повышение качества проектирования пресс-форм для термопластавтоматов повышает эффективность машиностроительных предприятий в целом, сокращает затраты государственного бюджета на производство продукции». Применение зарубежных программных систем автоматизированного проектирования пресс-форм для термопластавтоматов на российских предприятиях лишает их технологической независимости и нарушает их информационную безопасность, поэтому

Технологии предприятия нуждаются в конкурентоспособных российских разработках в этой области. Разрабатываемая программная система должна быть построена на базе российской разработки. Разрабатываемое программное обеспечение ориентированно на коммерческое использование в машиностроении, приборостроении, строительстве, теплоэнергетике, химической, нефтехимической и газовой промышленности и так далее. Оно может составить достойную конкуренцию таким представленным на российском рынке общемировым лидерам в этой области, как ANSYS, NASTRAN, COSMOS и другие. «Разработанная программная система построена на базе графического редактора параметрического проектирования и черчения российской разработки, клиентская часть программной системы является кросс-платформенной, время обработки запроса пользователя по поиску в базе данных не превышает 60 секунд», — рассказывает Владимир Нелюб. Программная система имеет развитые средства отображения на экране компьютера трехмерных образов спроектированных пресс-форм, а также составляющих их частей и порядка их сборки. Конфигурация технических средств: • минимальные системные требования к серверному оборудованию: процессор 3 ГГц, 2 Гб ОЗУ; • минимальные системные требования к клиентскому оборудованию: процессор 3 ГГц, 1 Гб ОЗУ; • видеопамять: 512 Мбайт. Структура программного обеспечения состоит из: • программы по управлению базой данных параметризованных элементов; • программы по параметризации сборки; • программы по управлению сборкой; • программы по управлению базой данных по готовым пресс-формам. Процесс разработки проводился в пять этапов: 1. Проведены научные исследования, обеспечивающие решение задач работы. Проведены патентные исследования. Разработано уточненное техническое задание.

2. Разработан эскизный проект.

3. Разработан технический проект.

4. Разработаны основные программные модули Программной системы. Разработаны предварительные версии эксплуатационных документов на Программную систему.

5. Проведены испытания Программной системы. Система внедрена на целевом предприятии. Проведена подготовка тиражирования Программной системы. Проделанная специалистами Центра работа приводит к сокращению как трудозатрат на производство, так и повышает качество проектирования пресс-форм для термопластавтоматов и эффективность машиностроительных предприятий в целом. КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

59

Технологии Роман Окашин Фото: Nick Cross www.hightech.plus

Композиты нового поколения сами сообщат о повреждениях Композиты из углеродного волокна считаются идеальным решением для авиации и автомобилестроения — они легкие и прочные. Одна проблема: дефекты могут быть незаметны при осмотре, пока не станет слишком поздно. Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж нашли способ застраховаться от этого.

60

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Исследователь Крис Боуленд объясняет, что широкое и длительное использование композитов может обернуться катастрофой. «Дефекты можно заметить, лишь когда элемент, сделанный из него, полностью ломается, — говорит Боуленд. — Но если знать, что происходит внутри материала, то появляются огромные возможности: всегда знаешь, когда нужен ремонт и насколько критичны повреждения». Боуленд рассказывает, что ему вместе с коллегой Амитом Наскаром и другими учеными удалось сделать углеволокно проводящим. Специалисты внедрили в композит полупроводниковые частицы карбида кремния. В таком материале возникает электрическое поле, и его замеры позволяют судить о «здоровье» отдельной детали. При нагрузках сопротивление меняется, за ним и электрические характеристики. Ученые говорят, что точности достаточно, чтобы заранее определить самые разные повреждения. Помимо прочего, технология пригодна для массового применения. Даже 3D-принтеры можно настроить так, чтобы они сразу интегрировали слой, измеряющий износ материала. Для перспективных конструкционных материалов есть и другой подход: если сделать их многократно прочнее, об усталости и деформациях беспокоиться не придется. Исследователи из Университета Райса определили правильное сочетание эпоксидной смолы и графена и добились от этой комбинации рекордной прочности.

Открыта подписка на 2019 год Композитный мир в социальных сетях

#композитныймир #композиты #композитныематериалы# стеклопластик #углепластик #смола #полиэфирная #эпоксидная #инфузия #ртм #препрег #модельнаяпаста #выкладка #чпу #неразрушающийконтроль #базальтовоеволокно #формование #намотка

podpiska@kompomir.ru | www.kompomir.ru

Наука М. Э. Францев, к.т.н. компания АХТО-ПЛАСТ-ЭКСПЕРТ

Способы верификации проектных решений, полученных численными методами, при создании судов и их крупных элементов из композиционных материалов с позиций обеспечения их характеристик долговечности 1. Францев М. Э. Принципы проектирования корпуса скоростного судна из композитов по условиям его весовой эффективности и обеспечения жизненного цикла // Известия Калининградского государственного технического университета. – 2016. – № 41. – С. 196-208.

2. Францев М. Э. Эксплуатационное поведение элементов корпуса глиссирующего судна из композиционных материалов в условиях воздействия гидродинамических нагрузок // Труды Государственного Крыловского Научного Центра, Санкт-Петербург. – 2013. – № 75 (359). – С. 192-200.

3. Российский Речной Регистр. Правила (в 5-ти томах). – М., 2015.

4. Российский Морской Регистр Судоходства. Правила классификации и постройки морских судов часть XVI «Конструкция и прочность корпусов судов и шлюпок из стеклопластика». – СПб. 2018.

5. Бураковский Е. П., Дмитровский В. А. Применение теории потоков при оценке и прогнозировании технического состояния корпусных конструкций, содержащих эксплуатационные дефекты // Сборник научных трудов Калининградского государственного технического университета, посвященный 300-летию Российского флота, Калининград. – 1996. – С. 263-278.

6. Францев М. Э. Проектная оценка эксплуатационных нагрузок и характеристик долговечности корпусов судов из композиционных материалов // Морской вестник. – 2008. – № 4 (28). – С. 93–98.

7. Францев М. Э. Определение степени потери прочностных свойств и оценка возможности разрушения судовой корпусной конструкции из композиционного материала в зоне развития эксплуатационного дефекта типа расслоение // Конструкции из композиционных материалов. – 2016. – № 1. – С. 67-73.

8. Баженов С. Л. и другие. Полимерные композиционные материалы: Научное издание / Баженов С. Л., Берлин А. А., Кульков А. А., Ошмян В. Г. – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010. – 354 с.

9. Францев М. Э. Проектные рекомендации по определению наиболее нагруженных и уязвимых элементов корпуса судна из композиционных материалов // Конструкции из композиционных материалов. – 2011. – № 3. – С. 86-97.

10. Францев М. Э., Зайцев О. В., Золотаренко И. Д. Модель проектного обеспечения прочности надстройки из композитов пассажирского судна на подводных крыльях с использованием численных методов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева. – 2016. – № 3. – С. 160-168.

11. Клебанов Я. М., Давыдов А. Н., Биткина Е. В. Методика расчета напряженно-деформированного состояния композиционных материалов // ANSYS Advantage. Русская редакция. Инженернотехнический журнал. – 2008. – № 8. – С. 11-14.

12. Францев М. Э. Способ оценки технического состояния корпуса судна из композитов в процессе эксплуатации // Контроль. Диагностика. – 2009. – № 11. – С. 61-68.

13. Францев М. Э. Исследование надстройки из композитов пассажирского судна на подводных крыльях акустическими методами неразрушающего контроля // В мире НК. – 2016. – № 4. – С. 13-17.

14. ОСТ5.9102-87 «Стеклопластики конструкционные для судостроения. Методы неразрушающего контроля». – Л.: ЦНИИТС, 1987. – 36 с.

15. Васильев Р. В. Применение современных средств компьютерного моделирования при проектировании и постройке скоростного пассажирского катамарана из углепластика // Инновации. – 2015. – № 3 (197). – С. 108-112.

62

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Наука Введение В октябре 2018 года в Красной Поляне (Сочи), прошла VIII Международная конференция Композиты СНГ 2018. В качестве основной темы конференции рассматривалась роль численных методов в процессе создания композитных материалов и стоимостной анализ жизненного цикла изделий из них. Автором, который был одним из спикеров конференции, был сделан доклад. Основные положения этого доклада содержатся в данной статье. Проектирование корпуса судна или крупного элемента судовой корпусной конструкции из композитов представляет собой триединую задачу: проектирование собственно конструкции корпуса или элемента, технологии изготовления корпуса или элемента, композитного материала для конструкции на базе определенных исходных материалов и технологий. Проектирование судовых корпусных конструкций из композитов только на основе учета действующих на них эксплуатационных нагрузок позволяет существенно снизить их массу. Например, теоретически конструкция из композитов на основе углеродного волокна на 45–50% легче по отношению к аналогу из легких сплавов. При этом одновременно происходит снижение расходов в течение жизненного цикла конструкции почти на 25%, что может повлечь за собой существенное снижение срока окупаемости затрат на строительство судна. Пока углеродное волокно дорого, но по сообщениям в специализированных периодических изданиях к 2020 году прогнозируется снижение цен на него до 10 $ за кг. Это сделает конструкции из композитов на основе углеродного волокна вполне конкурентоспособными для судостроения. Высокие эксплуатационные характеристики судов из композитов могут обеспечить эффективные оптимальные судовые корпусные конструкции, имеющие минимальное ухудшение прочностных свойств в процессе эксплуатации. Для проектирования и изготовления эффективных оптимальных судовых корпусных конструкций из композитов предпочтительны технологии формообразования, способные изменять параметры оптимизации конструкций в широких пределах, например, вакуумная инфузия или различные виды RTM-процессов. При этом функциональные возможности технологий проектирования и осуществления процессов формообразования должны быть согласованы для работы в установленных диапазонах изменения параметров оптимизации. При разработке таких согласованных технологий возникает новый класс задач, которые требуют согласованных решений на техническом уровне и на уровне исследований. Принципы проектирования эффективных оптимальных судовых корпусных конструкций из композитов по условиям их весовой эффективности и обеспечения жизненного цикла изложены в работе [1]. Современный этап развития судостроения из композитов характеризуется все более широким использованием современных интегрированных систем CAD/

CAE, что позволяет ускорить процессы проектирования и исследования различных конструкций, в том числе судовых корпусных конструкций из композитов. Считается, что использование современных методов вычислений, реализованных в комплексах CAD, дает возможность создавать геометрические модели изделий, а также менять конструкцию без проведения экспериментов, не прибегая к дорогостоящим натурным испытаниям. Декларируется, что комплексы CAE позволяют проводить имитационное моделирование работы исследуемых изделий с описанием их геометрии, физики моделируемых процессов, свойств используемых материалов, эксплуатационных и других характеристик. Доклад посвящен рассмотрению способов верификации проектных решений, полученных численными методами в области создания судов из композитов и их крупных элементов.

Постановка задачи Известно, что оптимальные анизотропные конструкции, несут нагрузки различной физической природы, которые вызывают существенные механические напряжения в материале. Эти конструкции нужно армировать в соответствии с совокупностью (схемой) направлений (траекторий) распространения напряжений (деформаций) внутри объёма конструкции. При этом армирующие материалы должны располагаться в объёме судовой корпусной конструкции из композита установленным при оптимизации образом. Это эквивалентно построению модели процесса формообразования, использующей найденные значения параметров оптимизации, найденные эквивалентные реализуемые траектории и очерёдность укладки армирующих материалов на изменяющуюся поверхность выкладки, а также ограничению исполнительной системы формообразования (имеющейся или подлежащей созданию). В результате этого можно получить виртуальную пространственную модель армированной анизотропной конструкции, которую можно подвергнуть анализу. Несколько итераций подобного анализа и синтеза приведёт к технологически реализуемой оптимальной конструкции из композитов. Связной задачей является задача обеспечения качества композита при ограниченной производительности исполнительной системы формообразования и ограниченном времени жизни связующего материала, которая сводится к задаче синтеза соответствующих схем армирования и одновременной пропитки их связующим. В настоящее время существуют возможности разработки конкурентоспособных технологий и обеспечивающей их инфраструктуры, позволяющих гарантировать высокие эксплуатационные качества судов за счет создания эффективных оптимальных судовых корпусных конструкций из композитов. При анализе проектировочных уравнений можно увидеть, что для судовых корпусных конструкций из композитов, при их фиксированных геометрических размерах, условие весовой эффективности может КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

63

Наука быть представлено условием минимизации толщины их обшивки: tcp → min

(1)

где tср — средняя толщина обшивки [1]. Известно, что использование различных технологий изготовления судовых корпусных композитных конструкций сопровождается появлением технологических дефектов типа расслоение и непроклей, которые влекут за собой снижение характеристик прочности конструкции. В дальнейшем под влиянием доминирующих факторов эксплуатации возможен рост внутренних дефектов типа расслоение технологической природы и возникновение дефектов типа расслоение эксплуатационной природы. Это обстоятельство требует от проектанта выполнения специального расчета при оценке прочности судового корпуса из композитов, направленного на учет влияния внутреннего дефекта технологической и эксплуатационной природы на прочность элемента конструкции (рисунок 1). В процессе эксплуатации на корпус судна из ком-

позитов действуют различные эксплуатационные нагрузки. Природа, характер и продолжительность воздействия этих нагрузок на корпус судна из композитов целиком и полностью идентичны аналогичным характеристикам эксплуатационных нагрузок, действующим на корпуса судов, изготовленных из традиционных материалов. Но композитные материалы реагируют на эти нагрузки принципиально иным образом. Известно, что понятие прочности и долговечности судовых корпусных конструкций из композитных материалов относится к стойкости композита к воздействиям эксплуатационных факторов. Эти факторы могут быть классифицированы по причине возникновения следующим образом: • факторы, обусловленные силовыми воздействиями на конструкцию; • факторы, обусловленные воздействием на конструкцию воды; • факторы, обусловленные воздействием на конструкцию высоких и низких температур; • факторы, обусловленные воздействием на конструкцию ультрафиолетового излучения [2].

пакет результаты решения МКЭ

Результаты расчёта МКЭ использульзуются для анализа состояния волокна и матрицы на микроуровне

слой результаты по слоям

конструкционный элемент

микроуровень: слой волокна, матрицы и интерфейсной области

волокно, матрица, интерфейсная область

один слой ячейки

Результаты расчёта повреждений волокна и матрицы на микроуровне используются для внесения соответствующих изменений в КЭ-модель

результат для выбранного слоя

разбиение ячейки на слои

элементарная ячейка

Уменьшение несущей способности всей КЭ-модели (всей конструкции)

повреждённый слой ячейки повреждённая ячейка повреждение слоя

повреждённые волокно и матрица Рисунок 1. Последовательность декомпозиции и оценки влияния внутреннего дефекта при определении прочностных свойств корпуса или крупного элемента судна из композитов.

64

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

повреждённый пакет

повреждённый элемент

Наука В соответствии с принципами строительной механики корабля, обеспечение прочности представляет собой сложную систему взаимодействующих между собой подсистем: нагрузки, размеров, формы конструкции и конструкционных материалов. В рамках взаимодействия этих подсистем существует целый ряд классификаций, например: внешних сил, напряжений, условий, приводящих к разрушению. На этой основе, как правило, назначаются критические пределы, а также нормы допускаемых напряжений в соответствии с системой нормирования прочности, построенной на учете статистического и отчасти временного факторов (для переменных нагрузок). Современные трактовки вопросов нормирования прочности судов, в том числе в определенной степени судов с корпусами из композитов, дополняются следующими новыми аспектами: • разделение начального подхода на метод напряжений и метод предельных нагрузок; • рассмотрение комплекса классических теорий прочности и анализ их применимости к различным случаям нагружения корпусных конструкций. Нормативными документами, например Правилами Российского Речного Регистра (далее РРР), производится учет изменения характеристик долговечности композита при эксплуатации судового корпуса путем установления соответствующих поправочных коэффициентов, учитывающих воздействие на него различных факторов эксплуатации. Коэффициенты устанавливаются в зависимости от характера действующих факторов и ряда других условий эксплуатации. Учет изменения характеристик долговечности производится двумя способами: • уменьшением модуля упругости первого рода и коэффициента Пуассона композита пропорционально интегральному коэффициенту, представляющему собой произведение коэффициентов по каждой из групп факторов; • увеличением значения расчетной нагрузки, действующей на элемент конструкции из композитов, пропорционально интегральному коэффициенту, представляющему собой произведение коэффициентов по каждой из групп факторов [3]. Близкие подходы имеются и в Правилах Российского Морского Регистра Судоходства (далее РМРС) [4]. При разработке судовой конструкции из композитов необходимо ясно представлять картину действующих на нее нагрузок. Это позволяет обеспечить необходимую прочность конструкции при ее оптимальных массовых параметрах. Различные элементы корпуса судна из композитов в эксплуатации находятся в различных условиях, с точки зрения действующих на них внешних усилий. Действие определенных усилий может распространяться как сразу на группу элементов корпуса из композитов, так и на отдельные

его фрагменты. Учет суммарного воздействия всех внешних усилий на элемент корпуса, как правило, затруднителен. В строительной механике принят метод, позволяющий рассчитывать конструкции на обеспечение прочности от действия преимущественных нагрузок по отдельности и в дальнейшем суммировать их влияние. В то же время нормативными документами не устанавливается порядок учета характеристик долговечности дифференцировано для основных элементов корпуса судна из композитов. Существует подход, при котором для оценки и прогнозирования технического состояния корпусных конструкций промысловых судов, содержащих эксплуатационные дефекты, применена теория потоков. При этом установлена взаимосвязь потока внешних нагрузок с потоком повреждений корпусных конструкций на вероятностной основе в виде результирующей функции, связывающей параметры эксплуатационного дефекта в начальный и конечный момент времени, собственно, время и вероятность возникновения дефекта [5]. Данный подход позволяет прогнозировать возникновение и развитие эксплуатационного дефекта, определять время достижения каким-либо дефектом наперед заданного уровня, оценивать вероятность достижения каким-либо дефектом наперед заданного уровня, нормировать дефекты при ограничении времени и условий эксплуатации судна, накладывать ограничения на условия эксплуатации судна с целью обеспечения экономически обоснованного жизненного цикла с заданной вероятностью. Разработка норм проектной годности судовой корпусной конструкции из композита, при условии существования в ней внутренних дефектов технологической и эксплуатационной природы, тесно переплетается с проблемой прогнозирования динамики их развития и связанного с этим снижения прочности конструкции и повышения вероятности разрушения. Оценка изменения характеристик долговечности представляет собой сопоставление прочностных свойств целой конструкции и той же конструкции, содержащей дефекты в начальный и конечный моменты эксплуатации, рассчитанных в соответствии с действующими нормами проектирования. Вопросы изменения характеристик долговечности тесно связаны с вопросами оценки технического состояния судовой корпусной конструкции из композита, а также методами определения степени утраты прочностных свойств и оценкой возможности разрушения судовой корпусной конструкции из композита в зоне развития дефекта типа расслоение технологической и эксплуатационной природы. Все эти вопросы рассматриваются в работах [1, 6, 7]. Существует несколько точек зрения на проблему прогнозирования изменения прочности композитов. Широко распространенный традиционный путь прогнозирования и нормирования прочности корпусных конструкций, базирующийся на эмпирических подходах и непосредственном увязывании расчетных коэффициентов запаса прочности с результатами КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

65

Наука целенаправленно поставленных экспериментов, постепенно утрачивает свою эффективность, так как они не отражают реального воздействия всех факторов эксплуатации и, как следствие, не позволяют получать корректные решения. Кроме традиционного подхода, базирующегося на представлении о существовании некоторого критического, порогового значения прочности, после достижения которого наступает мгновенное разрушение материала, существует другой подход к трактовке явления прочности. В рамках этого подхода разрушение представляется процессом неравновесным и в большинстве случаев нестационарным. Это — кинетический подход. В дополнение к изучению силовых факторов, анализ температурно-временной зависимости прочности как кинетического процесса позволяет сформулировать целый ряд новых критериев и теорий прочности [6–8]. Известно, что в практике эксплуатации композитов при умеренных температурах возникает явление статической усталости. Это явление универсально, оно присуще всем твердым телам. Разрушение в этом случае представляет собой необратимый кинетический процесс накопления внутренней повреждаемости материала, ускоряемый температурой. При этом становится очевидной ярко выраженная зависимость прочности элемента из композитов от продолжительности испытаний и режима нагружения. Для объяснения явления статической усталости предложен ряд теорий и критериев прочности, основанных на концепции накопления повреждений в объеме материала и учитывающих изменение во времени напряженного состояния в теле. Введение понятия «накопление повреждений» относится к двадцатым годам прошлого столетия. Впервые оно было предложено Палмгреном. В дальнейшем этот подход получил развитие в исследованиях Майнера, Бейли, Робенсона. Для произвольных процессов нагружения во времени при простейших напряженных состояниях получил распространение критерий суммирования повреждений Бейли, дающий для времени разрушения t уравнение: t

∫= 0

dt = 1 (2) t(σ)

где t(σ) — долговечность при напряжении σ [6–8]. Исследования длительной прочности в процессе ползучести при постоянном растягивающем напряжении показали, что кинетика процесса разрушения композитов в большой степени соответствует обычной зависимости кинетических процессов, и описывается зависимостью Аррениуса: tR = a −

bσ (3) T

где: tR — время, прошедшее от момента приложения постоянного растягивающего напряжения σ до момента разрушения;

66

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

Т — абсолютная температура; а, b — коэффициенты, характеризующие свойства исследуемого материала [6–8]. Результаты исследования зависимости долговечности от температуры описываются критерием Буссе, который предположил, что статическое усталостное разрушение имеет активную природу. Им предложена температурная зависимость долговечности: τ = Bexp

U RT

(4)

где: Т — абсолютная температура; R — газовая постоянная; U — энергия активации разрушения; В — опытная постоянная, зависящая от напряжения [6–8]. Исследования процессов разрушения твердых тел проводились также С. Н. Журковым. Кинетическая теория прочности в его трактовке рассматривает разрушение, как процесс постепенного накопления нарушений сплошности (повреждаемости), решающую роль в котором играют тепловые флуктации. Этот процесс начинается с момента приложения к телу нагрузки и идет практически при любом уровне нагружения. Понятие предела прочности при таком подходе теряет свой физический смысл. Фундаментальной величиной, характеризующей интегральную скорость разрушения при данной нагрузке и температуре, становится зависимость долговечности от времени с момента приложения нагрузки до разрушения элемента. Формула С. Н. Журкова имеет вид: t = t0 exp

U0 − νσ (5) KT

где: σ — напряжение, полагаемое постоянным; К — постоянная Больцмана; U0 — энергия активации разрушения в отсутствие напряжения [6–8]. Параметр t0 не зависит от природы материала, величина его имеет порядок 10−12–10−13 с, это время соответствует примерно периоду тепловых колебаний атомов в твердом теле. Согласно кинетической теории параметр ν служит показателем локальных напряжений, которые возникают на фоне средних напряжений, приложенных к телу. Чем меньше ν, тем больше реальная прочность. Для каждого материала величина ν является функцией его состояния, которая определяется рядом факторов, влияющих на прочность. Поэтому n является структурно-чувствительной величиной. В формуле С. Н. Журкова все параметры являются физическими величинами, за исключением параметра ν, который практически определяется опытами на длительную прочность. Критерий Л. М. Качанова исходит из предположения, что хрупкий разрыв — это конечный результат развития дефектов материала под действием нагрузок. По этому критерию время чисто хрупкого разрушения:

Наука t=

1 (6) (n + 1)Aσn0

где: А , n — некоторые постоянные; σ0 = σmax — истинное максимальное напряжение [6–8]. За меру разрушения в этих критериях обычно принимается определенный параметр, который в процессе разрушения изменяется в определенных пределах. Величина этого параметра в точке разрушения считается критерием разрушения. Этот параметр, как правило, имеет конкретный физический смысл. Наряду с изучением процессов статической усталости большой интерес для решения ряда прикладных задач, связанных с прочностью и долговечностью судовых корпусных конструкций, изготовленных из композитных материалов, представляют исследования процессов разрушения при действии интенсивных импульсных нагрузок. Специфика ударных воздействий заключается в том, что из-за малой длительности времени нагружения практически отсутствует взаимное влияние отдельных участков нагружаемого тела. В том случае, если участки этого тела содержат какие-либо крупные дефекты, их вклад в процесс разрушения ограничен [6–8]. Большинство существующих моделей динамического разрушения исходят из тех же положений, что и модели квазистатического разрушения. Методы динамического разрушения базируются на предположении о непрерывном характере роста трещин. Экспериментальные данные, однако, показывают дискретный характер роста трещины, что особенно ярко проявляется при циклическом нагружении. Важным вопросом является исследование реакции композитов на высокоскоростное ударное нагружение, перпендикулярное плоскости армирования, при их динамическом разрушении. Результирующее разрушение зависит от многих факторов, таких как: геометрия элемента, скорость удара, свойства исходных материалов, образующих композит и многих других. Дефекты в виде растрескивания, разрушения волокон, а также образования отверстий — это лишь некоторые из возможных способов разрушения [6–8]. Динамическое импульсное воздействие на корпусную конструкцию, имеющую достаточную прочность, по всей видимости, сопровождается локальным изгибом поверхности в месте контакта. При этом одни слои конструкции оказываются растянутыми, а другие сжатыми. В этот момент на границе слоев возникают касательные напряжения между отдельными слоями конструкции из композита, приводящие к нарушению адгезионных связей между ними, которые и являются непосредственной причиной возникновения внутренних дефектов типа расслоение. При растяжении слоистых композитов сначала происходит продольное растрескивание композита, начинающееся с матрицы, которое инициирует разрушение армирующих волокон. Продольная трещина проходит не строго вдоль них, но и перерезает часть из них. Образованная поверхность играет роль дефекта.

Группы перерезанных волокон могут отслоиться, в результате чего появляется вторичная продольная трещина, и появляются новые перерезанные волокна. Как следствие, происходит лавинообразное рассыпание материала на мелкие фрагменты. Считается, что отслоение развивается, когда растягивающее напряжение σ достигает порогового значения σс. При этом исходная трещина поворачивает на 90° и начинает расти вдоль волокон. Таким образом, имеется конкуренция двух процессов — роста трещины поперек и вдоль волокон [6–8]. В различных работах, в том числе в [8], рассмотрены задачи растрескивания при растяжении волокнистого композита вблизи начального несовершенства в виде отверстия. При этом критическое напряжение σс рассчитывается по критерию Гриффитса, в котором в качестве предельного размера дефекта используется величина диаметра отверстия. Как было сказано выше, внутренние дефекты корпусных конструкций из композитов по своей природе имеют случайный характер возникновения. Взаимосвязь между частотой возникновения внутренних дефектов типа расслоение, их количеством и размерами, а также продолжительностью и интенсивностью эксплуатации судна на качественном уровне понятна. В то же время в связи с большим разнообразием армирующих и связующих исходных компонентов композитных материалов, а также многообразия конструктивных решений, для получения каких-либо аналитических зависимостей необходим очень большой объем исследований [8]. Законченной теории разрушения композиционных материалов при действии интенсивных импульсных нагрузок пока не существует. Результаты проведенных исследований демонстрируют сложный характер этого разрушения. В то же время выяснены многие детали этого физического явления, в том числе на микроуровне. Получены важные сведения для предсказания возможности образования разрушений, разработаны численные многостадийные модели описания этих явлений. Известно, что величина разрушающего напряжения композитов при действии интенсивных импульсных нагрузок зависит от формы и длительности импульса растягивающих напряжений, напряженно-деформированного состояния среды, ряда физических и технологических факторов. Прочность при таком виде нагрузок представляет собой функцию многих переменных. Для численного прогнозирования возможности образования разрушений при действии интенсивных импульсных нагрузок в разное время предложены критериальные соотношения аналитического вида. Простейшим и используемым на начальном этапе, по аналогии со статическим нагружением, являлась зависимость σр = const [6–8]. Дальнейшее изучение процесса разрушения при действии интенсивных импульсных нагрузок показало, что этот критерий может привести к завышению величины разрушающих напряжений, но ввиду его простоты он часто применяется в инженерной практике. КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

67

Наука

Рисунок 2. Макрошлиф с внутренними дефектами и их развитие из микроповреждений (изображения получены микроскопией и методами неразрушающего контроля).

Более полное и детальное описание процесса достигается, если процесс разрушения рассматривать как событие, протекающее во времени. При описании зависимости s — t (напряжение — время) в виде совокупности реализуемых при ударном растяжении состояний, она может быть представлена в виде некоторой кривой, разделяющей плоскость на две области. Выше кривой при этом расположена область состояний, в которой происходит динамическое разрушение. Ниже кривой — находится область состояний, в которой разрушение не происходит [6–8]. Как было сказано выше, в отличие от пороговых критериев, предполагающих процесс разрушения мгновенным при выполнении некоторых критических условий, успешно разрабатываемые в настоящее время кинетические критерии предполагают развитие процесса разрушения во времени. Они базируются на определенных предположениях о механизме разрушения. Одним из наиболее распространенных подходов к общей проблеме прочности твердых тел является использование кинетического уравнения долговечности (критерий С. Н. Журкова). Однако попытки распространить его на область долговечности (от 10−5 до 10−10 с), свойственную образованию разрушений, связанных с действием интенсивных импульсных нагрузок, показали, что экспериментальные данные не описываются этим уравнением. В то же время регистрация степени поврежденности материала в зоне разрушения в зависимости от интенсивности напряжений в проведенных различных опытах дает информацию о кинетике и характере развития процесса разрушения, и позволяет определить уровни нагружения, соответствующие зарождению повреждений на микроуровне. Приведенное выше уравнение С. Н. Журкова позволяет определить долговечность только в условиях постоянного напряжения. Однако при практической эксплуатации судовые конструкции из композитов подвергаются действию самых различных нагрузок, меняющихся во времени. Поэтому применительно к конструкционным жестким композиционным материалам типа стеклопластика, не обладающим восстановительными свойствами, пригодную для практического применения основу дает кинетическая теория прочности в сочетании с гипотезой линейного суммирования повреждений в варианте Бейли [6–8]. Использование различных гипотез суммирования

68

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

повреждений, простейшей из которых является линейный закон, предложенный Р. Робинсоном и Д. Бейли, может оказаться приближенно верным для механизма разрушения объединяющего статические и динамические нагрузки (для хрупкого разрушения хуже, для квазихрупкого — лучше, для трещин — еще лучше). Он может позволить по уравнению долговечности рассчитать время до разрушения конструкции при любом временном режиме нагружения, в том числе и при циклическом нагружении. Мак-Картни и Гале разработали общую теорию распространения усталостной трещины, основанную на теории дислокаций и накоплении повреждений вблизи вершины трещины. При этом предполагается, что разрушение происходит тогда, когда повреждение, накапливающееся вблизи вершины трещины, достигает критического значения [6–8]. Различные аналитические зависимости описания распространения усталостной трещины могут быть классифицированы следующим образом: а. Формулы, разработанные на основе теории дислокаций; б. Основанные на критериях линейной механики разрушения и теории размерностей; в. На анализе экспериментальных данных и поведения материала при циклическом нагружении и накоплении повреждений [6–8]. Особенности разрушения композитов, связанные с многообразием ситуаций, возникающих на структурном уровне армирующих элементов (дробление волокон, расслоение по границам компонентов, растрескивание матрицы), требуют создания специализированных структурных моделей материалов. В то же время имеющиеся математические модели микронеоднородных сред пока не в состоянии достаточно полно учесть многообразие реальных механизмов разрушения на микроуровне. При их применении значительная часть экспериментальной информации об отдельных особенностях разрушений в композитах на микроуровне, сопровождающихся накоплением повреждений остается без эффективного использования. В результате анализа различных аспектов механики композитов установлены следующие особенности разрушения слоистых композитных элементов судовых корпусов:

Наука • в начальной стадии дефект локализуется в относительно малом объеме на уровне структуры композита, образуя микроповреждение; • макроскопическое разрушение происходит в плоскости раздела слоев, и направление развития дефекта задается расположением слоев; • рост расслоения имеет циклический характер и состоит из периодов субравновесного состояния, инкубационной стадии, в течение которой происходит накопление микроповреждений на фронте расслоения, и его скачкообразного роста до нового субравновесного состояния. Как было сказано выше, в качестве базовой схемы разрушения слоистых композитов судовой корпусной конструкции может рассматриваться схема, учитывающая взаимодействие между процессом накопления микроповреждений и финальным разрушением, которая имеет три возможных варианта развития: • разрушение путем потери целостности, вследствие достижения критического значения плотности микроповреждений; • образование сочетания дефектов в окрестности одного или нескольких разрушенных элементов структуры, которые станут зародышами макроскопических трещин с их дальнейшим ростом; • хрупкое разрушение, как завершение процесса накопления микроповреждений. В качестве основной модели разрушения судовой корпусной конструкции из композитов, которая находит подтверждение в соответствующих источниках, может быть принята модель, имеющая следующие особенности: • первичные микроповреждения композита вызваны ударными нагрузками; • происходит образование сочетания дефектов в окрестности одного или нескольких разрушенных элементов структуры, которые становятся зародышами макроскопических трещин (рисунок 2); • скорость накопления микроповреждений зависит от локальных напряжений; • характер роста макроскопического дефекта зависит от распределения микроповреждений в окрестности его фронта; • при изгибе пластины корпуса происходит ее дальнейшее продольное растрескивание в плоскости раздела слоев; • прочность пластины из композита уменьшается с увеличением отношения размеров дефекта типа расслоение к размерам пластины, при этом прочность пластины с дефектом зависит не только от площади расслоения, но и его размеров в плане; • влияние дефектов типа расслоение на прочность оболочки корректно учитывается за

•

•

•

•

•

•

•

• • •

счет уменьшения изгибной жесткости пакета слоев в локальной зоне расслоения; уменьшенная изгибная жесткость рассчитывается, как суммарная жесткость независимо работающих слоев уменьшенной толщины, на которые разделяется пакет слоев; устойчивость элемента конструкции, содержащей дефект типа расслоение, в докритической и закритической стадии должна рассматриваться только для элементов судового корпуса, устойчивость которых проверяется при новом проектировании; на устойчивость пластины, содержащей дефект типа расслоение, влияет отношение размеров дефекта типа расслоение к размерам пластины, при этом устойчивость пластины с дефектом зависит не только от площади расслоения, но и его размеров в плане и толщины отслоившейся части; влияние учёта эффектов поперечного сдвига на оценку устойчивости элемента судовой конструкции из композитов производится только для судовых конструкций, имеющих большую толщину отслоившейся части; рост расслоения имеет циклических характер и состоит из периодов субравновесного состояния, относительно непродолжительной инкубационной стадии накопления микроповреждений на фронте формирования расслоения, после которой происходит его скачкообразный рост за счет объединения микроповреждений на фронте до перехода макроскопического дефекта в мало поврежденную область матричной прослойки; усталостное поведение конструкции из композита, содержащей дефект типа расслоение, в большой степени зависит от типа и схемы армирования, при этом композиты на базе армирующих материалов в виде тканей демонстрируют повышенную усталостную прочность по отношению к композитам армированных матами; для описания поведения композита при разрушении корректно применима трехкомпонентная схема разрушения композита, учитывающая три моды разрушения: отрыв, продольный и поперечный сдвиги; модель учитывает влияние нормальных напряжений на удельную работу разрушения при сдвиге; удельная работа разрушения композита не зависит от моды; достижение напряжением по любой из мод критических значений свидетельствует о достижении дефектом предельных размеров.

Таким образом, под критерием эксплуатационной прочности и долговечности корпуса судна, изготовленного из композитов, находящегося в эксплуатации, с учетом возникших в процессе эксплуатации внутренних дефектов типа расслоение, может пониКОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

69

Наука a

b

c

d

Рисунок 3. Надстройка СПК из композитов: a — исходная геометрия, b — конечно-элементная модель, c — перегрузки от изгибающего момента, d — опытный образец.

маться оценка изменений его прочностных свойств, в виде изменения расчетных напряжений, а также повышения вероятности разрушения [9]. Предельно допустимые величины геометрических параметров внутренних дефектов типа расслоение, существующих в конструкции, определяются с учетом гарантии ее целостности или практической неизменяемости формы конструкции в течение всего ее жизненного цикла. Они оцениваются с позиции обеспечения прочности конструкции, устойчивости, жесткости и долговечности (ресурса). Предельная величина утраты прочностных свойств конструкции определяется достижением геометрических параметров дефектов типа расслоение таких величин, при наличии которых уровень действующих в конструкции напряжений превышает предельно допустимый уровень, установленный нормами проектирования. В качестве опасных напряжений принимаются пределы прочности композита при сжатии, растяжении и сдвиге, уменьшенные в соответствии с ожидаемым влиянием эксплуатационных факторов, либо эйлеровы напряжения связи, определенные с учетом сдвига. Назначение опасных напряжений для судовых конструкций из композитов производится дифференцировано, в зависимости от условий работы той или иной связи. Нормы опасных напряжений учитывают длительность и характер действия нагрузки, а также изменение работоспособности конструкций с различным армированием в зависимости от этих факторов [10]. Как было сказано выше, существующий традиционный путь прогнозирования и нормирования прочности судовых корпусных конструкций, базирующийся на эмпирических подходах и непосредственном увязывании расчетных коэффициентов запаса прочности с результатами целенаправленно поставленных

70

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

экспериментов, утрачивает свою эффективность. В настоящее время для решения указанной задачи с учетом всех факторов эксплуатации, оказывающих значимое влияние на работоспособность судовых корпусных конструкций из композиционных материалов, необходимо в прогнозную расчетную схему внести предположения о накоплении повреждений в материале конструкций в процессе эксплуатации. При этом необходимо исследовать зависимости процесса накопления повреждений от уровня, длительности и характера изменения во времени силовых и климатических (прежде всего, температурных) эксплуатационных воздействий [5–10].

Решение задачи В настоящее время в России используется большое количество программных продуктов, реализующих компьютерное моделирование при проектировании изделий из композиционных материалов. В качестве примеров таких программных продуктов можно привести программный комплекс ANSYS со встроенным программным модулем LS-DYNA и программным комплексом FLUENT, программный комплекс ABAQUS, пакет программ NASTRAN, а также программный комплекс DIGIMAT и ряд других. Работа многих программ основана на методе конечных элементов, который является численным методом решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Метод конечных элементов широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, аэродинамики, гидродинамики и других областей физики. Он позволяет решить большой круг инженерных задач.

Наука Отечественными Классификационными обществами в настоящее время сертифицированы для целей проектирования судов, в том числе из композиционных материалов, два крупных программных комплекса, реализующих метод конечных элементов в различных разновидностях. Российским Речным Регистром (РРР) сертифицирован программный комплекс ANSYS, а Российским Морским Регистром Судоходства – программный комплекс NASTRAN. В состав обоих этих программных комплексов входит программный модуль LS-DYNA, который предназначен для решения трёхмерных динамических нелинейных задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, а также связанных задач. В программном модуле LS-DYNA также реализованы явный и неявный метод конечных элементов с возможностью построения лагранжевой, эйлеровой и гибридной сетки, многокомпонентная гидродинамика, бессеточный метод сглаженных частиц, бессеточный метод, основанный на методе Галеркина. Программа имеет встроенные процедуры автоматической перестройки и сглаживания конечно-элементной сетки при вырождении элементов, высокоэффективные алгоритмы решения контактных задач, широкий набор моделей материалов, возможности пользовательского программирования. Рассмотрим последовательность проектирования такой крупной судовой конструкции из композиционных материалов как надстройка пассажирского судна на подводных крыльях с использованием программного комплекса ANSYS, выполненного под руководством автора в МГТУ им. Баумана [10] в рамках одной из Федеральных Целевых Программ. Разработке прочностной модели надстройки пассажирского СПК из композитов предшествует разработка 3D-модели ее конструкции с использованием CAD/ CAE технологий, позволяющих получить компьютерную модель, пригодную для передачи в программы конечно-элементного анализа в качестве исходной геометрии. Разработка компьютерной модели надстройки СПК проводится в два этапа. В первую очередь разрабатывается электронная модель теоретического чертежа корпуса СПК с надстройкой из композитов. После предварительной оцифровки исходных данных в двумерном редакторе полученный промежуточный файл передается в основную среду разработки. При этом выполняется повторное согласование теоретического чертежа. В качестве базовых кривых могут использоваться кривые Безье (кубические сплайны), построенные через точки излома сечений шпангоутов в зонах, в которых форма теоретических поверхностей нелинейная в продольном направлении. Базовое семейство кривых формирует продольные и поперечные кривые компьютерной модели надстройки, которые в свою очередь формируют поверхности. Далее на основе полученных поверхностей создаются схемы армирования надстройки, схема расположения каркаса легкого среднего слоя и схема локальных подкреплений надстройки. После завершения всех процессов моделирования элементов надстройки

СПК, включая закладные детали, полученная компьютерная модель пригодна для передачи в программы конечно-элементного анализа в качестве исходной геометрии (рисунок 3). Создание рабочего проекта производится в среде моделирования ANSYS Workbench. Первым шагом является выбор типа решаемой задачи (статический анализ) для подготовки FEM модели и дальнейшего решения задачи статики. Для моделирования композиционного материала выбирается модуль ACP. Для дальнейшего анализа на прочность надстройки из композита модули ACP (Pre) и Static Structural соединяются с ACP (Post). Далее производится импорт геометрии из внешнего файла. Импорт геометрии осуществляется через внешний файл в формате Parasolid V21. Задание свойств композита для монослоя производится путем занесения в установленную форму характеристик материалов. После этого производится присвоение свойств материала к геометрии. При этом выбирается геометрия, и ее элементам присваиваются заранее заданные свойства материала. После этого производится задание симметричного композитного пакета, описываемого углами и толщинами укладок. После этого производится указание размеров элементов выбранных тел и число разбиений сетки на выбранных поверхностях. Следующим шагом является указание поверхностей, имеющих регулярную зону для построения конечно-элементной сетки [10]. Сетка должна разрешать интересующие зоны, подробности геометрии, а также градиенты основных переменных. Для определения зон, где возникают наибольшие градиенты, может применяться адаптация (автоматическое сгущение) сетки. При этом необходимо учитывать, что размерность сетки всегда ограничена компьютерными ресурсами. Поэтому необходимо, исходя из доступных вычислительных ресурсов, оценить максимальное количество ячеек в модели. Кроме того, необходимо определить сложность моделей и количество уравнений, решаемых для каждой ячейки. При выборе альтернативы между структурированной сеткой гексаэдров или неструктурированной сеткой тетраэдров необходимо руководствоваться особенностями решаемой задачи. При этом нужно учитывать, что сетка гексаэдров/четырехугольников может дать более качественное решение с меньшим количеством ячеек/узлов в сравнении с сеткой тетраэдров/треугольников. Сетка гексаэдров/четырехугольников в ряде случаев дает меньшую численную диффузию, но для построения такой сетки требуется больше времени и усилий. В ряде случаев создаются гибридные сетки, которые обычно комбинируют сетку тетраэдров/треугольников с другими типами в заданных областях, например с треугольными призмами. Такая сетка дает большую точность и эффективность, чем только тетраэдры/ треугольники (рисунок 3). После разбиения надстройки на конечные элементы по поверхностям производится задание граничных КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

71

Наука

Рисунок 4. Дефектоскоп ДАМИ-С и исследование надстройки СПК из композитов методами неразрушающего контроля.

условий для надстройки пассажирского СПК. При этом запрещаются перемещения в стенке в местах отверстий по всем осям, в том числе запрещаются углы поворота (заделка). Следующим этапом является приложение к надстройке нагрузок, определенных при расчете общего изгиба корпуса СПК в различных эксплуатационных случаях, а также местных нагрузок. Вычисленные значения перерезывающей силы и изгибающего момента, а также расчетных давлений прикладываются к конечно-элементной модели для проведения расчета. Отдельным этапом является расчет устойчивости элементов надстройки СПК из композитов: для этого готовится отдельная модель. После этого производится отправка моделей в решатель. При анализе результатов произведенных расчетов можно видеть, что прочность надстройки СПК из композитов обеспечена во всех расчетных случаях (рисунок 3). Распределение внутренних усилий, действующих в надстройке, в целом, имеет характер, описанный в специализированной литературе, что свидетельствует о корректном определении внешних нагрузок [10]. Таким образом, в среде ANSYS была создана послойная конечно-элементная модель надстройки пассажирского судна из композитов, к которой в дальнейшем были приложены внешние нагрузки, определяемые в соответствии с нормативными документами (в данном случае Правилами РРР). Понятно, что при использовании послойной модели влияние различных внутренних дефектов композиционного материала технологической и эксплуатационной природы на характеристики его прочности и долговечности не может быть учтено. Переход к моделям, учитывающим внутреннюю двухкомпонентную структуру композита (армирующие волокнистые материалы и матричная полимерная фаза), потребует наращивания вычислительных возможностей проектанта на несколько порядков [10]. В работе [11] описано исследование в среде ANSYS конечно-элементной модели из девяти идентичных ячеек, воспроизводящих фрагмент композита в виде ткани Т-13 на основе стеклянного волокна полотняного переплетения на полимерном связующем. Сравнение

72

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

результатов, полученных численными методами, с результатами испытания на растяжение и сжатие экспериментальных образцов в виде пересчета дало удовлетворительную сходимость. Однако увеличение количества ячеек математической модели до физически сопоставимого с экспериментальным образцом количества ячеек дает экспоненциальный рост количества конечных элементов, что делает решение задачи численными методами нереальным или очень затратным. Необходимо отметить, что судовые корпусные конструкции из композиционных материалов формируются из многослойных неметаллических материалов, включая легкие пенопласты. Модули упругости и плотности этих материалов могут отличаться в десятки раз. Кроме того полимерные композиты, создаваемые при изготовлении судовых корпусов, отличаются неоднородностью структуры и значительной упругой анизотропией. Многослойные конструкции имеют несколько границ раздела материалов. При этом отдельные слои часто имеют очень небольшие толщины (0,2 + 0,1 мм), поэтому для адекватной передачи микроструктуры такого композита необходимо разрабатывать сотни (если не тысячи) математических моделей, воспроизводящих внутреннюю структуру композита. Что может оказаться слишком затратным, а потому нереальным. Поэтому одним из важных направлений проектирования судовых корпусных конструкций из композитов по критерию весовой эффективности являются способы верификации проектных решений. Наиболее достоверным способом верификации являются различного рода исследования судовых корпусных конструкций из композитов, как сразу после их изготовления, так и в процессе эксплуатации на их жизненном цикле, в том числе исследования методами неразрушающего контроля с одновременной аналитической обработкой полученных результатов и формированием обратных связей с процессами проектирования и изготовления конструкций. Наблюдение процессов развития внутренних дефектов в виде расслоений в процессе эксплуатации с помощью различных методов неразрушающего контроля дает возможность оценки изменения механических

Наука свойств композиционных материалов. [12-13] Разработка норм проектной годности конструкции с точки зрения существования в ней дефектов тесно переплетается с проблемой прогнозирования динамики их развития в процессе эксплуатации и параллельного изменения прочности конструкции в сторону ее снижения. Исследования, направленные на регистрацию степени поврежденности композита в зоне разрушения, в сочетании с численными экспериментами и моделированием при помощи вычислительной техники динамических эффектов, сопутствующих разрушению матричной и армирующей фаз композита, позволяют глубже понять качественное многообразие ситуаций, возникающих при накоплении повреждений в композите на микроструктурном уровне. Выявление динамических эффектов и исследование их влияния на развитие разрушения композитов приобретает особое значение при разработке структурных моделей композитов и имитации на ЭВМ взаимодействия отдельных разрушений на микроскопическом уровне. Различные виды дефектов в процессе эксплуатации судна могут быть выявлены исследованиями с использованием методов неразрушающего контроля. Наблюдение процессов развития внутренних дефектов в виде расслоений с помощью различных методов неразрушающего контроля дает возможность оценки изменения механических свойств композитов в процессе эксплуатации. Исследование изготовленной судовой корпусной конструкции из композиционных материалов методами неразрушающего контроля производится со следующими целями: • определение качества проектирования и изготовления конструкции, а также адекватности применения технологий и исходных материалов для формования композита; • выявление мест расположения внутренних дефектов типа расслоение технологической природы для последующего определения степени влияния этих дефектов на прочностные характеристики элементов конструкции; • соотнесение этих мест с местами вероятного возникновения внутренних дефектов типа расслоение эксплуатационной природы, известными из анализа опыта эксплуатации подобных судовых корпусных конструкций из композитов, для последующей оценки возможности объединения и дальнейшего развития дефектов в процессе эксплуатации. Подробнее этот круг вопросов рассмотрен в [12-13]. В работе [13] описано исследование надстройки из композитов пассажирского судна на подводных крыльях акустическими методами неразрушающего контроля (рисунок 4). В результате исследования установлено, что наружный слой надстройки содержит отдельные внутренние дефекты типа непроклей, имеющие площадь менее 40 мм2. Данный размер дефекта в соответствии с

действующими нормативами [14] рассматривается в качестве допускаемого размера, поэтому дальнейшие расчеты не требуются. Как было сказано выше, одной из целей этого исследования было подтверждение целесообразности применения выбранных армирующих и связующих материалов для создания композита надстройки СПК, а также подтверждение правильности разработанных конструктивных схем изделия и технологий его изготовления. Количество, размеры, а также места расположения обнаруженных внутренних дефектов типа расслоение (непроклей) подтвердили правильность выбора исходных материалов, разработанной конструкции и примененных технологий для обеспечения необходимых характеристик долговечности надстройки СПК из композитов. В местах, где в процессе эксплуатации СПК возможно возникновение внутренних дефектов типа расслоение эксплуатационной природы, технологических дефектов не выявлено. Выполненное обследование также подтвердило высокую эффективность дефектоскопа ДАМИ-С, оснащенного раздельно-совмещенным преобразователем РС-1 и акустическим сканером для дефектоскопии судовых корпусных конструкций из композитов, в том числе выполненных в виде сэндвича, для целей поиска в них внутренних дефектов типа расслоение (непроклей) технологической природы [13]. Необходимо отметить, что специфика изменения характера и механизма динамического разрушения полимерных композитов в жидкостях, в том числе связанного с изменением температуры, что свойственно, например, для наружной обшивки корпуса глиссирующего судна, создает принципиальные затруднения в разработке методов ускоренных динамических испытаний, воспроизводящих реальные условия. Подробнее вопросы прогнозирования накопления внутренних дефектов технологической и эксплуатационной природы, а также возникновения условий, приводящих к разрушению судовой корпусной конструкции из композитов, рассмотрены в работах [2, 6–7, 9, 12]. Как было сказано выше, законченной теории разрушения композитов при действии интенсивных импульсных нагрузок возникающих, например, на днищевой поверхности глиссирующего судна из композитов, пока не существует. При практической эксплуатации судовые корпусные конструкции из композитов подвергаются действию самых различных нагрузок, меняющихся во времени. Поэтому пока применительно к конструкционным жестким композитам типа стеклопластика, не обладающим восстановительными свойствами, пригодную для практического применения основу дает кинетическая теория прочности в сочетании с гипотезой линейного суммирования повреждений в варианте Бейли. Использование различных гипотез суммирования повреждений, простейшей из которых является линейный закон, предложенный Р. Робинсоном и Д. Бейли, может оказаться приближенно верным для механизма разрушения объединяющего статичеКОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

73

Наука ские и динамические нагрузки. Он может позволить по уравнению долговечности рассчитать время до разрушения конструкции при любом временном режиме нагружения, в том числе и при циклическом нагружении. Принципы возникновения внутренних дефектов типа расслоение, их форм и места расположения на корпусе и надстройке судна из композитов, а также систематическое их обнаружение в больших количествах в определенных местах открывают путь к разработке количественных методов определения их взаимосвязи с режимами нагружения, связанными с. характеристиками полной массы, мощности и скорости судна, продолжительностью и интенсивностью эксплуатации. Обработка полученных данных методами регрессионного анализа позволяет получить формализованные зависимости, позволяющие анализировать и прогнозировать изменение характеристик долговечности корпусов судов из композитов. Для корректной обработки данных и получения зависимостей в виде функций необходима группировка по судам одного проекта, имеющим различный ресурс использования в достаточно больших количествах [2, 6–7, 9, 12]. Для определения технического состояния корпусов судов из композитов, находящихся в эксплуатации, был разработан способ оценки их технического состояния с использованием результатов исследований методами неразрушающего контроля [12]. Способ был запатентован. Также была разработана «Временная методика исследования корпусов судов с динамическим способом поддержания (глиссирующих) методами неразрушающего контроля с целью выявления дефектов типа расслоение», которая была утверждена Российским Речным Регистром письмом № 07-01.9-153 от 24.01.07 года. На базе Московского филиала Российского Речного Регистра в 2007-2013 годах были выполнены исследования с помощью дефектоскопии 130 корпусов судов, изготовленных из композитов, подлежащих очередному освидетельствованию по достижении пяти лет и более с момента постройки [9, 12]. На основании полученных данных произведена попытка проследить зависимость между накоплением в корпусе из композитов дефектов типа расслоение, энерговооруженностью и ресурсом использования судна. Методика учета концентрации дефектов эксплуатационного характера на корпусе судна из композитов разработана в соответствии с системой нормирования прочности, построенной на учете статистического и отчасти временного факторов (для переменных нагрузок). Расчет концентрации внутренних дефектов типа расслоение, в соответствии с критерием Бейли, выполнен для группы судов из композитов на основании базы данных судов, прошедших операцию дефектоскопии при освидетельствовании на предмет годности к плаванию. В качестве обобщающей характеристики принят интегральный ресурс использования, определяемый произведением энерговооруженности судна на время его эксплуатации. При расчете определялась кон-

74

КОМПОЗИТНЫЙ МИР #6 (2018)

центрация внутренних дефектов типа расслоение как отношение суммарной площади дефектов к общей площади поверхности обшивки в исследуемом районе на каждом из корпусов [9, 12]. Полученные значения величины коэффициента концентрации аппроксимированы по линейному закону: K = f(t) = 0,1531t + 241,4

(7)

где: K — коэффициент концентрации расслоений; t — ресурс использования корпуса. Выполненный расчет подтверждает принципиальную возможность применения гипотезы линейного суммирования повреждений в варианте Бейли для анализа и прогнозирования изменения характеристик долговечности корпусов судов из композитов под действием эксплуатационных нагрузок в течение его жизненного цикла. Расчет также подтверждает существование взаимосвязи между эксплуатационными характеристиками судна из композитов в виде энерговооруженности и различных форм ресурса использования и концентрацией дефектов. На начальных этапах проектирования прогнозирование изменения характеристик прочности и долговечности корпуса судна из композитов может рассматриваться как прогноз роста концентрации дефектов, описываемой значениями полученной аппроксимирующей функции на жизненном цикле [9, 12].

Выводы Таким образом, верификация прочностных расчетов, выполненных численными методами, для судовых корпусных конструкций из композитов путем их дальнейшего исследования методами неразрушающего контроля в процессе эксплуатации позволяет оценить адекватность примененных проектных методик расчетов прочности, что позволяет в дальнейшем использовать данные методики при проектировании других судов из композитов подобных типов. В заключение хочется привести один пример. В работе [15], описывающей применение современных средств компьютерного моделирования при проектировании и постройке скоростного пассажирского катамарана из углепластика с помощью программных комплексов ANSYS, NASTRAN и PamRTM, отмечается, что при всей целесообразности использования средств компьютерного моделирования необходимо иметь верифицированные модели для достаточно точного описания реального процесса. Верификацию необходимо проводить с использованием опытных образцов. В случае описания технологического процесса вакуумной инфузии с помощью численных методов необходимо еще более углубленное экспериментальное исследование, так как численная погрешность остается достаточно ощутимой в этом случае. Если говорить о перспективах дальнейшей работы, то необходимо провести ряд испытаний для того, чтобы добиться лучшей сходимости. Нельзя с этим не согласиться.