СТЕКЛОПЛАСТИК — НАЧАЛО
Композитные материалы, их основные особенности, подразделения производства, термины.
— Производство изделий из стеклопластика и углепластика, искусственного камня сравнительно новая отрасль промышленности. Несмотря на то, что об «эпоксидке» мы знаем со времен Советского Союза, а первые полиэфирные смолы начали применять для изготовления яхт еще в 30-х годах 20-го века (более 80-ти лет назад!), это удивительное достижение человечества все еще недостаточно глубоко вошло в нашу повседневную жизнь.
— В обиходе люди часто путают «эпоксидку» и «полиэфирку», сделаю уточнение: это две параллельные ветви композитов. Грубо говоря, на молекулярном уровне отверждение эпоксидов представляет собой сцепление коротких цепочек, или моно-молекул 2-х и более веществ (РЕАКЦИЯ ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ) с образованием твердой пластмассы. Полиэфиры же представляют собой длинные углеводородные молекулы, плавающие в стироле, при добавлении отвердителя происходит их поперечная сшивка (РЕАКЦИЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ), в результате чего образуется твердый пластик. Несмотря на то, что и там и здесь конечный продукт – пластик, — это разные пластики, они отличаются особенностями изготовления и конечными свойствами. Технология эпоксидов и полиэфиров настолько различна, что на одном предприятии занимаются, как правило, или только эпоксидами, или — только полиэфирами.
— Современные качественные эпоксиды имеют большую прочность, чем полиэфиры, эпоксидные смолы более дорогостоящие, применяются для изготовления легких и превосходящих по прочности сталь изделий с армирующим материалом — углеткань, литья особо прочного искусственного камня. В технологии – более требовательны к температуре и дозировкам отвердителя. Большинство эпоксидов токсичны (особенно при нарушении дозировки отвердитель-основное вещество), поэтому для изготовления на их основе столешниц, раковин и других предметов общественного пользования, требуется специальное разрешение для конкретного технологического процесса и вида эпоксидной смолы.
— Полиэфиры дешевле в закупке, поэтому из них изготавливают большие изделия, такие как: корпуса яхт, жесткие надстройки на автомобили, предметы облицовки и др. Процесс изготовления допускает колебания температуры и дозировки отвердителя без ухудшения качества конечного продукта. По прочностным характеристикам в качестве армирующего материала полиэфирам более всего подходит стекловолокно. При производстве искусственного камня меньшая прочность полиэфиров компенсируется хорошей текучестью смолы (а эпоксиды, как правило, гораздо более густые), что позволяет довести процент наполнителя до 75-83%. При этом прочность искусственному камню придает именно наполнитель – гидроксид алюминия, мраморная крошка, кварцевый песок. Полиэфиры в подавляющем большинстве (есть несколько исключений, например эпоксивинилэфирная смола) нетоксичны, поэтому широко используются для изготовления предметов общественного пользования. Отдельные виды полиэфирных смол даже используются для производства пищевых емкостей, посуды лабораторного и медицинского оборудования.
— Корпуса катеров и лодок, тюнинговый обвес (бампера, спойлеры, обтекатели, пороги, накладки) на отечественные и зарубежные автомобили, жесткие надстройки на автомобили (например «Дэу Ланос»-пикап и «Таврия»-пикап), спальники и высокие крыши (например на а/м «Камаз» и «Маз»), ванны, душевые поддоны и многое, многое другое включает ассортимент продукции из стеклопластика, изготавливаемой непосредственно в нашем русскоязычном пространстве.
— Главная привлекательность полиэфирных композитов заключается в их доступности и возможности получать готовые изделия без дорогостоящего оборудования, буквально «на коленке».
— Конечно, масштабные проекты требуют серьезной профессиональной базы, которая может быть реализована на более–менее крупном производстве. Оно включает в себя несколько важных подразделений:
1. ДИЗАЙНЕРЫ— КОНСТРУКТОРЫ. Первые склонны нарисовать что-то красивое. Вторые с этой красотой потом «борятся», силясь технологизировать то, что дизайнеры «понавыдумывали». В результате упорной совместной работы, возникает концепция и цифровая модель будущего изделия.
2. МОДЕЛЬНЫЙ ЦЕХ – высококвалифицированные работники, занимаются здесь изготовлением макетов будущих изделий в натуральную величину. Это начальный этап физического существования идеи на пути от модели — к готовому изделию. Здесь по чертежам, или без них (если предприятие не может себе позволить дизайнера,- конструктора), изготавливают модель: бампера, спойлера, корпуса яхты, ванны, и т.д., которая даст начало серии изделий, до этого еще не существовавших. Отсюда они начинают быть!
— Работа модельщика схожа с работой скульптора, тем больше, чем меньше технологизирован этап виртуального моделирования. За неимением на предприятии первого подразделения, модельщик делает эскизы и технические рисунки изделия, вручную изготавливает первичный болван и доводит его поверхность до готовности к формовке на ней слепка – матрицы.
— В случае наличия трехмерной модели и ее физической копии, произведенной на 3-х — 5-ти координатном фрезерном станке, модельщик выполняет чисто техническую доводку поверхностей до требуемого качества путем пропитки модели полиэфирной смолой, шпаклевания автомобильной шпаклевкой, вышкуривания, покрытия полиэфирной грунт-шпаклевкой, шлифовки и полировки.
— Тут надо заметить: часто путают термины «МОДЕЛЬ» и «МАСТЕРМОДЕЛЬ». Модель – это макет готового изделия, изготовленный из прессованного картона, или пенопласта, шпаклевки, досочек, и прочих материалов. Она нужна для перевода ФОРМООБРАЗУЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ будущего изделия из виртуального в реальный, физический вид. Модель рассчитана на изготовление одной матрицы. При снятии с нее отформованной матрицы, она обычно ломается и отправляется в мусор. Мастермодель – это слепок с действующей матрицы, изготовленный из гелькоута и стеклопластика, кроме формообразующей поверхности самого изделия, он имеет еще технологические припуски на обрезку, отбортовки, характерные для матрицы. Может выдерживать большое количество съемов и не портиться. Изготавливается для размножения одинаковых матриц при необходимости производства на заводе данного изделия в количестве более чем 1-2 штуки в сутки.
— Некоторые еще употребляют в связи со стеклопластиком термин «МАСТЕРФОРМА». Обычно они подразумевают модель, мастермодель, или матрицу. Но такого термина в композитной сфере нет, он существует в металлургии и к нашей области не имеет отношения.
— Чтобы не путаться, нужно запомнить: модель выглядит как изделие, но сделана из легко обрабатываемых материалов; матрица (форма) – это обратный слепок модели (негатив): там где на модели выпуклость – на матрице вогнутость, сделан из гелькоута и стеклопластика. При формовке, или отливке в матрицу, получается готовое изделие из стеклопластика, или искусственного камня. Мастермодель (или РЕПЛИКАТОР)– это позитив из стеклопластика для размножения матриц.
— В модельном производстве есть еще термин «ПЕРВИЧНЫЙ БОЛВАН» — это заготовка для машинной обработки, склеенная из кусков пенопласта, или МДФ: угловатая, грубо повторяющая обводы будущего изделия. Когда фрезерный станок убирает с него все лишнее, получается просто «БОЛВАН». Это заготовка, уже более точно повторяющая все обводы будущего изделия, но еще нуждающаяся в доработке чуткими человеческими руками, что называется «ДОВОДКОЙ БОЛВАНА». После доводки он и начинает быть, собственно, моделью. Мы начинаем называть болван моделью где-то между шлифовкой наждачкой Р40 и Р400, когда ее поверхность уже начинает нам (модельщикам) нравится.
— Привлекательность технологии стеклопластика заключается еще и в том, что при необходимости, можно полностью исключить первые два пункта производства. На первых порах можно использовать чужие изделия, купленные в магазине для изготовления своих матриц и производства с них готовой продукции. Потребность в проектировании и физическом моделировании появляется лишь, когда Ваше предприятие уже крепко «встало на ноги» и Вы хотите создать что-то новое.
3. ОСНАСТКА – цех, куда доставляют готовые модели. Здесь на них крепят отбортовки (технологические отгибы, служащие для придания жесткости краю матрицы, — защиты края матрицы от сколов гелькоута, — стыковки разъемных частей матрицы, если такие предусмотрены конструкцией), покрывают их поверхность разделительным составом (для того, чтобы будущая матрица не прилипла к поверхности модели, а легко снялась с нее).
— Поскольку изготовление матрицы очень схоже с формовкой готового изделия из стеклопластика, здесь работают формовщики, но это должны быть лучшие специалисты. Потому что качество работы здесь должно быть наивысшим. Ведь матрица служит до 10 лет (может и больше, просто изделия выходят из моды, на смену им приходят другие, с новым дизайном), чем качественнее она сделана, тем меньше в дальнейшем будет хлопот с ее ремонтом и доводкой поверхности готовых изделий.
— Специалистов по изготовлению матриц называют ОСНАСТЩИКИ, потому что матрицы – это оснастка для изготовления конечных изделий.
— Подготовленную вышеописанным образом модель, покрывают матричным гелькоутом (высококачественный полиэфирный пластик с присадками, наполнителями и красителем, аналог краски). Этот слой уже не относится к модели, это начало новой матрицы.
— Затем на отвердевший гелькоут укладывают стекломат (нетканое, а склеенное специальной пропиткой полотно, состоящее из разнонаправленных стеклянных нитей); пропитывают его полиэфирной смолой с предварительно добавленным в нее отвердителем. Благодаря пропитке, которой склеены нити стекломата, при намачивании смолой, он приобретает пластичность, принимая любую форму поверхности, на которую его укладывают. Пропитка также придает смоле дополнительную ТИКСОТРОПНОСТЬ (оставленная в покое от механических воздействий смола – густеет). Это очень полезное свойство, когда Вам нужно нанести ламинат на отвесную, или потолочную поверхность. Через некоторое время ЛАМИНАТ (стекломат пропитанный смолой с отвердителем) затвердевает. Его зашкуривают, чтобы убрать «колючки» (некоторые нити после укладки лежат не в плоскости формовки). Затем наформовывают еще слои – до достижения запланированной толщины (обычно 6-10 мм). В финале на матрицу клеится усилительный каркас, чтобы предотвратить ее деформации в конструктивно наименее жестких местах. Каркас также выполняет роль опоры для удобного размещения матрицы на столе, или на полу при формовке изделий.
— После этого матрица снимается с модели при помощи деревянных, или пластиковых клиньев и сжатого воздуха. Процесс этот называется РАСФОРМОВКА. Снятую матрицу оснастщики шлифуют набором кусочков наждачной бумаги, с последовательно уменьшающейся зернистостью (от Р400 до Р2000). Финальный этап обработки матицы – полировка. При помощи полировального круга поверхность матрицы обрабатывается тонкоабразивными пастами, которые снимают тончайший слой поверхности и доводят ее до зеркального блеска.
— Окончание подготовки матрицы к эксплуатации – это нанесение разделительных составов. Это специальные полимерные вещества, которые уменьшают адгезию между матрицей и будущим изделием. После обработки разделителем, формообразующая (рабочая) поверхность матрицы покрыта тончайшей полимерной пленкой перманентного (постоянного) разделителя. Повредить ее можно только поцарапав, а удалить – полировкой, или шлифовкой. При аккуратном обращении разделенные матрицы дают много съемов без ЗАЛИПАНИЯ (сополимеризации с изделием), благодаря этому слою. При уменьшении антиадгезионных свойств рабочей части матрицы (при расформовке изделия начинают выходить из нее с трудом) разделительный слой обновляют.
4. ФОРМОВКА – цех, где матрицы постоянно работают. Здесь на них массово производят готовую продукцию.
— В этом цеху работает МАЛЯР, который ручным пульверизатором, или машиной наносит слой гелькоута для изделий на поверхность матрицы. Гелькоут придает поверхности изделия цвет, красивый внешний вид, прочность и атмосфероустойчивость.
— Основную численность персонала завода по производству изделий из стеклопластика составляют ФОРМОВЩИКИ. Они формуют в покрытые гелькоутом матрицы ламинат необходимой толщины.
— В состоянии ламината (пропитан смолой с отвердителем), стекломат определенной плотности имеет постоянную толщину. Так, стекломат плотностью 450 грамм на квадратный метр, имеет толщину 0,8-1 мм. И, если нам нужно изготовить изделие толщиной 4 мм, мы можем его изготовить, уложив в матрицу 4 слоя 450-го стекломата.
— Иногда в производстве изделий используют СТЕКЛОТКАНЬ. Она представляет собой тканое полотно, наподобие мешковины, только – из стеклянных нитей. Она формуется труднее стекломата, склонна к образованию складок, хуже принимает форму неровностей. Но — гораздо прочнее на разрыв, чем нетканое полотно (стекломат). Поэтому ее используют в таких изделиях, где важна прочность на разрыв, например ее укладывают 3-м и последним (7-м – 8-м) слоем в корпус катера, — последним (3-м – 4-м) слоем в бампер автомобиля.
— Гелькоут для многих изделий допускается наносить и кистью. В этом случае матрицы покрывают гелькоутом изделия не маляр, а сами формовщики.
— Обратите внимание: в начале изготовления изделия, на матрицу наносится гелькоут изделия, он уже не относится к матрице. После его затвердения, на него укладывают ламинат (стеклопластик). От матрицы гелькоут изделия отделяется, а с ламинатом — сополимеризуется. Т.о. лицевой слой изделия непосредственно контактирует с матрицей (это практически одна поверхность с ней, если исключить слой разделителя толщиной в несколько молекул), а само тело изделия, «его толщина» наносится поверх него. При расформовке то, что «смотрело» внутрь матрицы будет снаружи. Т.е. предположения о том, что при формовке матрицы на модели и формовке изделия на матрице размеры конечного продукта все время изменяются на толщину матрицы и изделия, неверны.
— На развитых предприятиях на большие и относительно не сложные изделия ламинат наносят при помощи специальной машины, называемой ЧОППЕР. Это устройство готовит ламинат непосредственно при нанесении: в факел напыления подается рубленный РОВИНГ (жгут стеклянных нитей), смола и отвердитель. Все это перемешивается в воздухе и падает слоем на ламинируемую поверхность. На таких предприятиях чоппером управляет ОПЕРАТОР ПО НАНЕСЕНИЮ ЛАМИНАТА. А формовщики прикатывают валиками ламинат, идя вслед за машиной. Это позволяет в несколько раз ускорить процесс формовки, особенно для крупных изделий.
— Грамотная работа формовщиков, маляра, оператора очень важна для качества конечной продукции, поэтому подготовке этих специалистов на предприятии должно уделяться большое внимание. Также на предприятии обязательно нужен контроль качества готовой продукции.
5. ЛИТЬЕВОЙ ЦЕХ. В плане меньшей трудозатратности и меньшей зависимости качества продукции от «человеческого фактора», во многом привлекательнее литьевое производство. Здесь для изготовления изделий требуется меньшее количество специалистов: маляр, заливщики смеси, обрезчики готовой продукции. Однако, в производстве изделий из искусственного камня, высокого качества продукции можно добиться только с четко налаженной технологией. Ошибки в дозировках и времени проведения технологических операций здесь более пагубны, чем на формовке.
Резюмируем сказанное выше:
— Стеклопластик и углепластик, искусственный камень — это композитные вещества, состоящие из полиэфирной (эпоксидной) смолы и армирующего материала (наполнителя).
— Уникальные свойства смолы заключаются в том, что при смешивании с отвердителем, она превращается из жидкости в твердое вещество достаточно высокой прочности. Все это происходит без каких-либо сложных устройств, при комнатной температуре и атмосферном давлении.
— При нанесении на поверхность специального полимерного состава — разделителя, к ней перестает клеиться наносимая полимерная смола. Это свойство позволяет делать слепки (матрицы) и обратные слепки (изделия) с различных предметов, в том числе сделанных из полимеров.
— Два этих свойства порождают все разнообразие изделий из эпоксидов и полиэфиров, все виды матриц и изделий (формованных и литьевых).
— Все полимерные материалы делятся на 3 основных вида:
— Гелькоуты — наружный (лицевой) слой матриц и изделий, обладающий повышенной прочностью, эстетичностью и атмосферостойкостью;
— Смолы — в совокупности с армирующим материалом (наполнителем) составляют основную массу (тело) как матриц, так и изделий, повышенной прочности и устойчивости к ударам обязаны армирующим компонентам;
— Филлеры — склеивающие пасты и шпаклевки, служат для отделки моделей, усиления проблемных мест матриц и изделий, склейки частей сложных отформованных изделий из стеклопластика (палуба и корпус лодки, и т.п.).
— Все полиэфирные материалы отверждаются одним видом отвердителя на основе пероксида МетилЭтилКетона.
— Эпоксиды имеют разные отвердители для разных марок и групп материалов.