Матричные материалы

• Новосибирск: Бердское шоссе 61/13
• Москва: 43й км МКАД, Логистический центр "Славянский мир", к 13, склад 3
• Санкт-Петербург: Кибальчича 28Л
• Краснодар: Селезнева 16/1
• Казань: Горьковское шоссе, 53а, офис 204, 2 этаж
• Екатеринбург: улица Искровцев, 40

Среди всех преимуществ, предлагаемых композитными материалами, их особенность быть отформованными в сложные формы наверно, самая популярная. Если форму необходимо воспроизвести много раз, самое эффективное – это произвести оснастку или матрицу, на которой может быть создано изделие. Отформованные изделия каждый раз превосходно повторяют форму и требуют минимальной финишной обработки.

Формование или “штамповка” использовалась в течение многих лет для придания металлам формы, например корпуса машин, бытовая техника и промышленные осветительные приборы. Формы штамповки металлов громоздки и стоят тысячи долларов в производстве. Только крупные компании могут позволить себе производить, работать, хранить или даже передвигать подобные формы. Композитные материалы предлагают любому экономичный способ даже серийного производства идентичных пластиковых изделий в матрицах, которые они могут произвести сами.

В данной брошюре описываются шаги, необходимые для производства точных, высококачественных матриц с низким уровнем искажения для производства композитных изделий. Они предполагаются оказать помощь новичкам в получении успешных результатов в своих первых проектах.

Так как большая часть описанных принципов такая же, что и для крупносерийных промышленных технологий, предлагаемые рекомендации означают применение в небольших производствах, гаражах или производственных участках и нацелены на оказание помощи производителям получать БОЛЬШИЕ результаты! По этой причине, перечисленные примеры должны рассматриваться в качестве полезных промышленных подсказок.

Типы матриц

Матрицы «мама» и «папа» - два единственных фундаментальных типа форм, но их применение используется для производства определенно отличных конечных изделий. Самый менее трудоемкий и самый дешевый метод – это производство матрицы «папа» или положительной матрицы. Это форма, которая имитирует конечную форму изделия, но изделие производится с ее внешней поверхности. Это правда, что данный тип матрицы более быстр для производства, но каждое производимое изделие имеет достаточно шероховатую внешнюю текстуру, которая требует значительную доработку. Также изделие будет “расти” во время ламинирования.

Обычно это нежелательно, но если матрица изначально сделана немного меньшего размера, изделие будет увеличиваться до желаемых конечных габаритов. Матрицы «папа» следует использовать, если предполагается производство не более 5-10 изделий. Большие объемы обычно обосновывают время и стоимость матриц «мама». Данное руководство в большей степени будет иметь дело с производством матриц «мама», но матрицы «папа» также можно произвести с использованием тех же материалов.

Матрицы «мама» или матрицы с полостью обычно более дорогостоящие, но они предлагают многочисленные преимущества для среднесерийного и крупносерийного производства. Время финишной обработки значительно ниже, так как каждое изделие получается с ровной внешней поверхностью. Также в матрицах «мама» могут использоваться сэндвич материалы, так как внешний слой всегда получается ровным, независимо от того, какой сэндвич используется внутри изделия. Любой тип матриц может применяться для вакуумного формования, но матрицы «мама» обычно более легко герметизировать, достигая хороших характеристик поверхности. Если предполагается производство более 5-10 изделий с ровной и гладкой поверхностью, матрицы «мама» подходят наилучшим образом.

Иногда компрессионные матрицы производятся с использованием матрицы как «мама», так и «папа». Эти “соединяемые” матрицы превосходны для производства точных изделий. В матрицы укладываются армирующие материалы и смола перед тем, как они закрываются и герметизируются.

Излишки смолы вытягиваются, пустоты удаляются, и изделие получается ровным с обеих сторон. Компрессионные матрицы также можно изменить для применения с инфузией смолы или инжекцией. Ключевой момент – решить, какое будет применение конечного изделия, и какой тип матрицы будет необходимо произвести. Если это решено заранее, нет никаких ограничений по типу изделий, которые можно произвести.

Выбор методов и материалов

Перед началом производства какой-либо матрицы, выделите время на решение желаемых конечных результатов. Производство матрицы – это принятие компромиссных решений по физическим свойствам матрицы, стоимости производства и времени, необходимого для производства матрицы.

Что вы хотите получить в конечном изделии, будет зависеть от данных компромиссных решений. Тщательное изучение этих факторов позволит вам исключить большие затраты для получения желаемых результатов.

При выборе материалов для производства матрицы и способа производства, принимайте во внимание такие параметры, как длительность производственного цикла и желаемое качество конечной поверхности изделия. Время и материалы, заложенные в матрицу в самом начале, будут прямым образом влиять на то, сколько изделий вы сможете произвести и на их качество. Другой параметр для рассмотрения – это добавление специфичных модификаций матрицы по технологии в целях применения ее в таких технологиях, как вакуумное и компрессионное формование.

Стоит добавить широкие фланцы, чтобы было легче использовать данные процедуры. На сложных матрицах с многочисленными деталями, требующими точной регулировки, необходимо запланировать расположение вставок по периметру фланцы. И наконец, решить, как матрица будет перемещаться во время производства, если это необходимо. Опорная конструкция поможет улучшить поддержку и управляемость матриц с неудобными формами.

То, как вы намереваетесь снимать матрицу с болвана и последующие детали с матрицы, также оказывает влияние на общий дизайн и конструкцию. Первый фактор для рассмотрения – это угол конусности матрицы. Это угол стенок матрицы по отношению к ее основанию. Матрица с нулевым углом имеет плоские стенки, перпендикулярно к днищу. На матрицах с положительным углом стенки шире в верхней части, чем у днища. Детали будут сниматься легче с матриц с положительным углом. Стенки матрицы с отрицательным углом уже в верхней части, чем у основания. По объективным причинам детали будет невозможно снять с матрицы с отрицательным углом. Формы, которые будут формоваться в матрицах с отрицательным углом, должны быть произведены в матрицах, состоящих из нескольких сегментов.

Каждое изделие имеет положительный угол для легкого съема, хотя они скреплены друг с другом, образуя, таким образом, отрицательную полость.

Участок, где детали матрицы соединены вместе, называется поверхность разъема. Это воображаемая линия или плоскость, которая делит отрицательный угол на два положительных. Матрицы можно производить с таким количеством поверхностей разъема, сколько требуется для полного разделения. Обычно эта плоскость проходит вдоль самой высокой или самой широкой возвышенности болвана. При первом производстве матрицы, будет полезным нарисовать линию на болване. Это позволит схематически изобразить последовательное приближение до тех пор, пока вы не будете удовлетворены тем, что она расположена в правильном месте. Если необходима дополнительная информация, можете взглянуть на следы от формы на детских пластиковых игрушках. Обычно они достаточно заметны и редко удаляются. С их помощью можно немного узнать.

Крупные изделия и матрицы достаточно сложны при съеме, даже если их края правильные. Небольшая адгезия по краевым участкам и даже статика создают проблемы. Рассчитывайте на худшее и планируйте заранее. Просверлите отверстия в матрице и вклейте воздушные фитинги в основание. Используйте пластилин для заполнения отверстий во время формования, чтобы смола не заполнила воздушные линии. Когда изделие готово к съему, просто подайте сжатый воздух и все! Постарайтесь расположить фитинги в участках, которые позднее будут обрабатываться и удаляться с изделия. В данном случае, отметки от пластилина не придется зашкуривать и полировать.

При выборе смолы и армирующих материалов, подходите с той точки зрения, что создавать матрицу необходимо с наименьшими затратами. Практически все композитные материалы можно использовать при производстве матрицы, но требования к изделиям часто не оправдывают затраты на более экзотические материалы. Для многих изделий, матрица, произведенная из полиэфирной смолы общего назначения с рубленным стекломатом даст положительные результаты. Маты позволяют быстро набирать толщину, придавая равномерную прочность и жесткость с минимальным количеством слоев (обычно 8-10 слоев). Использование хорошего матричного гелькоута, напыленного с правильной толщиной, также добавит возможности в получении первоклассной поверхности.

Некоторые изделия требуют невероятно жесткой матрицы для точности размеров или долгосрочности. В таком случае можно использовать эпоксидные связующие и гелькоуты, обладающие небольшой усадкой или вовсе ее отсутствием. С эпоксидами маты использовать нельзя, так как они не совместимы. Но это не страшно, так как нетканные стекловолоконные ткани прочнее в любом случае. Для матриц, от которых требуется самая высокая прочность и жесткость, используйте углеродные материалы.

Подготовка болвана

Одним из основных параметров в достижении успеха в производстве матрицы – это правильная подготовка болвана, который представляет собой “оригинал”, используемый для производства матрицы «мама». Любые неровности на поверхности болвана передадутся на матрицу, а затем и на будущие изделия, произведенные с этой матрицы. Возвращаясь к сказанному выше, напоминаем, что болван должен иметь финишную поверхность НАСТОЛЬКО хорошую, как вы хотите получить от производимых изделий.

Предполагаемое качество финишной поверхности болвана должно быть класса “A”, что означает, что она должна быть отполирована, не быть пористой и не содержать царапин. В целях достижения приемлемого качества поверхности матрицы и длительности ее эксплуатации, будет намного эффективнее удалить дефекты с болвана, чем попытка убирать дефекты с поверхности матрицы.

После того, как болвану придана необходимая форма, и она надлежащим образом зачищена, обработайте поверхность болвана высококачественным праймером, например Поверхностный праймер от Duratec. Данные материалы можно с легкостью шкурить и полировать до качества Класса “A”.

Производство матрицы

После того как поверхность болвана была доведена до качества класса “A”, можно переходить к производству матрицы «мамы». Сначала, на болван необходимо нанести разделительный агент. Это критичный шаг, так как он позволит вам снять матрицу с болвана после того, как материалы, используемые для производства, отвердятся. Если матрица плохо снимается с болвана, матрица и болван могут быть повреждены или разрушены, поэтому выполняйте этот шаг тщательно.

Два самых распространенных разделительных агента – это традиционная комбинация воска и разделительной пленки поливинилового спирта (ПВС), а также современная одношаговая разделительная система на водной основе, например FibRelease. При работе с воском и ПВС обычно наносится четыре слоя воска с интервалом один час между вторым и третьим слоями воска. После высыхания последнего слоя и его полировки, на болван необходимо распылить ПВС. Для наилучших результатов ПВС необходимо напылить тремя тонкими слоями и обождать высыхания в течение 30-45 минут. За это время он отвердится в тонкую ровную пленку. Для получения ровного покрытия ПВС поможет давление воздуха в 70 - 90 psi. С другой стороны, FibRelease не требует нанесения многочисленных слоев воска и ПВС. FibRelease натирается или напыляется на поверхность, а затем высыхает до состояния, похожего на пленку. Через примерно полчаса обычно FibRelease достаточно подсох для начала производства.

Перед началом производства матрицы, на болван необходимо нанести фланцевый разъем вдоль всех поверхностей разъема, описанных ранее. Это форма, которая делит сегменты матрицы во время производства. Эта форма снимается, когда отформуется одна сторона. Как и сам болван, данные фланцы разъема производятся из наименее дорогих материалов, которые позднее будут поддерживать отверждающуюся стеклоткань. Пластилин, мезонит, щиты, обработанные воском, тонкие листы металла и даже игральные карты – все эти материалы могут использоваться. Обычно, в ладонях скатывается “змейка” из пластилина и затем вжимается в болван по всей поверхности разъема. Если симметрия простая, из мезонита можно произвести силуэт и присоединить на пластилин.

Со сложными формами на болване легче использовать щиты или игральные карты. Ножницами можно легко и быстро нарезать контуры, перед тем, как перемычка вставляется в пластилин. Используйте шпатель для удаления излишков пластилина на той стенке, которая будет заформована первой. Для данной работы можно произвести и более сложные формы, однако этот метод обеспечивает повторяемые результаты.

В этот момент на фланцы разъема необходимо добавить любые штифты для выравнивания сегментов сложносоставной матрицы. Если фланец выполнен из пластилина, данные штифты / вставки можно легко вставить в мягкий материал. Мезонит также легко добавлять, так как он обеспечивает хорошую поддержку для удержания штифтов. Если используются бумажные или металлические штифты, просто сделайте из пластилина паз и приклейте его к поверхности. Сначала заформовывается шпоночный паз, затем снимается пластилин. Независимо от того, какой материал используется для производства штифтов разъема, аккуратно нанесите или напылите последний слой разделительного агента.

После завершения этих шагов, самое время начать наносить поверхностный слой. Полиэфирный матричный гелькоут легко наносится на поверхность благодаря яркому оранжевому цвету. Хотя поверхностный слой можно наносить кистью, более однородный результат получается при напылении. Гелькоуты и другие поверхностные материалы достаточно вязкие для напыления обычным распылительным оборудованием, поэтому необходимо использовать специальный чашечный пистолет. Обычно, в чашечном пистолете помещается до четверти материала. После смешивания правильного количества катализатора, вы готовы к напылению поверхностного слоя.

При напылении непрерывно подавайте материал: не останавливайтесь в конце каждого прохода, как если бы вы напыляли краску обычным баллончиком. Аккуратность и осторожность, или достаточно быстро будет нанесено слишком большое количество материала. Используйте измерительный прибор для замера толщины слоя гелькоута, нанесите равномерную толщину в 20-25 микрон по всему болвану. Наилучший способ – нанести эту толщину в три захода с толщиной 7 – 8 микрон каждый слой. НЕ позволяйте нанесенному слою подсыхать в промежутках нанесения следующего слоя. Вся толщина в 20-25 микрон должна отвердиться как единая пленка для получения наилучших результатов. Эпоксидные гелькоуты наносятся кистью, и если смесь сделана правильно, поверхность получается беспроблемной.

После нанесения поверхностного слоя, критичный момент – это стабилизировать поверхность одни слоем армирования в течение периода 1,5 – 5 часов. Это поможет предотвратить усадку поверхностного слоя. Первый слой армирования также наиболее критичный слой в матрице, необходимо укладывать его без образования пузырей. Все воздушные карманы рядом с поверхностным слоем однозначно растрескаются.

При стабилизации слоя на месте укладки, матрица может оставаться в этом положении в течение нескольких дней перед завершением. Основной совет здесь избежать напыления поверхностного слоя перед укладкой и подождать до утра. Будет лучше, если вы подождете и начнете процесс, когда поверхностный слой может стабилизироваться в течение 5 часов. Этот совет может показаться кому-то чрезмерно осторожным, но он всегда работает.

Также это поможет предотвратить температурную деформацию в полиэфирных матрицах. Через час гелькоут охлаждается. Один слой мата и смолы немного нагреется во время отверждения, но не настолько, чтобы деформировать поверхностный слой. После остывания первого слоя армирования, его можно зашкурить для подготовки укладки остальных матов. Оставшиеся слои можно уложить достаточно быстро на эту стабилизированную поверхность без опасения температурной деформации.

Если используется рубленный мат, разорвите (но не режьте) мат на кусочки. Осыпающиеся края хорошо перемешаются друг с другом без захватывания воздуха, как происходит при нарезке мата ножницами. На участки фланца необходимы дополнительные полоски, нарезанные на надлежащую ширину, для укладки впритык в углу разъема в целях исключения воздуха. Тем не менее, это всего один участок, где это необходимо сделать.

Если используется необработанная ткань, она укладывается легче на сложных контурах, если отрезана от рулона под углом 45 градусов. Нарежьте предварительно армирующие материалы, так чтобы можно было добавить 2-3 слоя в течение времени, пока смола не начнет гелеобразовываться.

Используя кистью с натуральной щетиной, смочите предварительно поверхность катализированной смолой, затем уложите мат на болван. Армирующий материал впитает большую часть смолы, но белые пятна будут показывать непропитавшиеся участки. Снова начните с укладки предварительно нарезанных полосок в углы, где разъемные штыри стыкуются с болваном. Затем нанесите растрепанные кусочки армирования на основную поверхность с небольшим нахлестом на фланцы. Нарубленные стекловолокна также можно использовать для такого типа углов в целях удаленяи воздуха.

С помощью валика удалите воздух с каждого слоя. С помощью щетинистого валика удалите пузыри воздуха из мата. Затем, взяв валик с желобками, прикатайте ламинат. Проверьте, чтобы валик касался самой поверхности. Есть много разновидностей валиков, которые могут использоваться в этом случае.

Большинство матриц из рубленного волокна используют около 8-10 слоев. Более тяжелые ткани, такие как ровинг или матричные ткани можно добавить после третьего слоя мата для более быстрого набора толщины и придания прочности матрице. Для получения равномерной прочности матрицы можно использовать мультиаксиальные ткани 0/90 и 45/45 градусов. За один раз не укладывайте более 3-4 слоев, так как происходит образование тепла, экзотерма и в этом случае, она будет сведена к минимуму.

После того как уложены все слои и они отвердились надлежащим образом, разъемные штифты можно вытащить. Используйте чистую ветошь, чтобы убрать излишки пластилина, которые могут остаться на поверхности. Будьте аккуратны и не царапайте болван, когда вытираете пластилин. Нанесите свежий слой разделительного агента на новые фланцы. И снова, соблюдая ту же последовательность, описанную выше от поверхностного слоя до окончательного армирования, создайте все сегменты матрицы.

Если необходимо добавить опорную конструкцию, теперь настало самое время. Некоторые делают ее из фанеры или других недорогих материалов. Сделайте бумажный макет контура матрицы, где будет присоединяться панель, чтобы правильно вырезать. Отрежьте фанеру по форме, так чтобы она прекрасно соответствовала матрице и любым другим деталям самого корпуса. С помощью смолы и армирующего материала приклейте ее к обратной стороне матрицы. Подобным образом соедините все схожие компоненты к матрице и соедините их вместе. После отверждения, эта конструкция добавит большую жесткость матрице.

После того как все завершено и отверждено, самое время произвести обрезку матрицы и просверлить необходимые отверстия для болтов. Сначала просверливайте отверстия, чтобы при обрезке можно было все выровнять. Обрезку лучше всего выполнять с помощью лобзика. Лобзик с лезвием с абразивным слоем на краю режет быстрее и с меньшим усилием. После обрезки по периметру, конструкция готова.

Снятие матрицы с болвана

Теперь настал момент истины – снятие матрицы с болвана! Для облегчения съема матрицы с болвана можно использовать клинья. Пластиковые клинья необходимо использовать вместо отвертки и шпателей, так как не будет происходить скалывания с поверхности матрицы. Зачем делать разрушительную работу после всего выполненного? Вставьте клинья по периметру матрицы и аккуратно подтолкните их на место. Для неподатливых краев можно использовать специальные клинья с подачей воздуха. Подушка воздуха, которая находится между матрицей и болваном, создает давление, которое клинья никогда не смогут создать. Медленно разъедините. Если проблема до сих пор существует, можно использовать резиновый молоток, который создаст вибрацию по матрице и поможет ее разделить. Не увлекайтесь. Тяжелые удары могут разрушить саму матрицу. Эти две возможности помогут аккуратно и безопасно снять матрицу с болвана.

Подготовка матрицы к использованию

После того как матрица снята с болвана, очистите ее и проверьте поверхность. Остатки разделительного агента ПВС можно смыть теплой водой. Высушите поверхность и проверьте наличие серьезных дефектов. Критичные проблемы необходимо убрать и восстановить поверхность. Теперь можно подсоединить петли, инжекционные порты и другие аксессуары, если необходимо. Если рекомендации соблюдались и ничего не повредилось во время съема, поверхность должна получиться ровной. Обычно, разделительные агенты оставляют легкую текстуру на поверхности, но ее легко можно убрать при достижении поверхности класса “A”. Начните с влажной шлифовки с бумагой зернистостью 400, постепенно переходя на 600, а затем на 1000.

Перед переходом к другой наждачной бумаге промывайте поверхность водой, чтобы удалить все продукты обработки с поверхности. После завершения шлифовки, отполируйте поверхность матрицы подходящим полировочным компаундом.

Последним шагом перед использованием матрицы будет нанесение разделительного агента. Это такой же процесс, как выполнялся перед процессом производства матрицы. На неиспользуемые ранее матрицы обычно наносят дополнительный слой или два в целях безопасности. На самом деле, первые несколько изделий, произведенные на матрице, иногда производятся достаточно тонкими, чтобы их можно было разрушить в случае фатальной неполадки. Тем не менее, если матрица была спроектирована верно, не должно возникать никаких проблем.

Поздравляем тех, кто сделал это в первый раз. Теперь вы готовы начинать проекты, которые откроют вам двери для новых творений, даже новой карьеры. Соблюдая эти простые инструкции можно произвести точные, высококачественные матрицы для производства композитных деталей. Эта информации, в совокупности с яркими идеями предлагает свободу в создании структур, которые ранее никто не изготавливал. И далее, если идея найдет спрос, производить в таком количестве, чтобы удовлетворить все потребности.