Способ изготовления композитного бампера для наземного транспортного средства
METHOD OF MAKING COMPOSITE BUMPER FOR GROUND VEHICLE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, автомобилестроения, и может быть использовано  при изготовлении конструктивных элементов наземных транспортных средств, в том числе грузовых и автобусов, таких как  бамперы транспортных средств, выполняющие защитную функцию, функцию декоративного дизайна.
Из уровня техники известны новые поколения композитных материалов, применяемых в автомобильной промышленности, выполненных из волокон, в качестве которых используют стекловолокно, углеродное волокно, базальтовое волокно, органическое волокно, полиэфирное волокно, параарамидное волокно, метаарамидное волокно, полиакрилонитирильное волокно, и связующих, в качестве которых используют эпоксидное связующее, полиэфирное связующее, винилэфирное связующее, связующее на основе полиуретана, связующее на основе термопластов, связующее на основе эластомеров, кремнийорганическое связующее. Подобные материалы начинают получать широкое распространение при изготовлении различных элементов транспортных средств, поскольку они обладают рядом преимуществ по отношению к традиционным материалам (металлам), такими как прочность при растяжении, низкий вес, коррозионная стойкость, теплоизолирующие свойства, срок службы.
Панели или более сложные функциональные элементы, например, в автомобильной и аэрокосмической промышленностях могут быть произведены с помощью любой из технологий изготовления, известных в уровне техники, таких как трансферное формование пластмасс (RTM), компрессионное прессование, формование методом вакуумного мешка, автоклавное формование, формование намоткой волокон и т.п.
3
Известен композитный бампер наземного транспортного средства, выполненный из рубленого волокна и связующего методом длинноволоконной инжекции, при этом прочность локальных участков задана плотностью композитного материала. При этом плотность композитного материала может быть задана варьированием длины и содержанием волокна. Так, плотность может находиться в диапазоне 0,5-2,0 г/см. Кроме того, длина волокна может составлять от 5 до 50 мм, а содержание волокна может составлять от 5 до 50%. При этом, в качестве волокна может быть использовано стекловолокно, и/или углеродное, и/или базальтовое, и/или органическое, и/или полиэфирное, и/или параарамидное, и/или метаарамидное, и/или полиакрилонитирильное волокно.
Кроме того, в качестве связующего может быть использовано связующее на основе полиуретана, и/или связующее на основе термопластов, и/или связующее на основе эластомеров, и/или кремнийорганическое связующее, и/или эпоксидное связующее, и/или полиэфирное связующее, и/или винилэфирное связующее  (аналог см. патент РФ № 168680, МПК B60R 19/03 (2006.01), от 2017 г.).
Недостатком является: дорогие и сложные формы, сложность процесса, необходимость иметь инжекционное оборудование.
Широкий ассортимент изделий производственно-технического назначения, изготавливаемых из полимерных композиционных материалов (ПКМ), предполагает наличие многих технологических приемов и способов их производства, учитывающих размеры и назначение изделий, объемы производства и условия эксплуатации, конфигурацию изделия, квалификацию и оснащенность производителя и т.д., и т.п. Один из основных технологических приемов переработки рассматриваемой группы композиционных материалов в готовые промышленные изделия, это формование из препрегов и премиксов.
Препреговая технология на протяжении многих лет является основой производства многих материалов, изделий и конструкций.
Препрег – это полуфабрикат композиционного материала, состоящий из волокнистого армирующего наполнителя и нанесённого с двух сторон связующего. Используют в первую очередь армирующий наполнитель из стеклянных и углеродных волокон. Связующее может иметь эпоксидную основу (или другой реактопласт, например, фенольное связующее), может быть изготовлено на основе термопластов – полиэтилена или ПЭТФ. В зависимости от связующего, препрег может быть мягким и липким (эпоксидная основа) или жёстким и скользким (ПЭТФ).
Существует несколько методов изготовления препрега. Самый передовой и удобный – пропитка волокнистого материала расплавом связующего или расплавный метод. Таким образом на текущий момент изготавливают большую часть препрегов. Ещё один метод – пропитка раствором связующего и дальнейшая сушка. Несмотря на устаревшую и низкоэкологичную технологию, таким образом всё ещё изготавливается значительная часть препрегов. Существуют и другие технологии изготовления препрегов.
Наибольшее распространение имеют препреги на основе высоковязких эпоксидных смол, изготовленные методом пропитки расплавом. Такой материал имеет вид двусторонней клейкой ленты с защитными плёнками с одной или двух сторон. Различные другие виды препрегов обычно применяют в специализированных областях.
Процесс изготовления детали из препрега сводится к выкраиванию слоя заданной конфигурации препрега по шаблону или на режущем плоттере с дальнейшей выкладкой препрега на оснастку слой за слоем. После набора необходимой толщины деталь либо подвергается непосредственному формованию в прессе, либо производится сборка вакуумного мешка и дальнейшее формование в термошкафу или автоклаве.
Изделия из КМ для указанных целей изготавливаются либо в одну стадию (после пропитки связующими волокнистых наполнителей сразу идут формирование изделия и отверждение под воздействием высоких температур), либо в две стадии (через стадию препрегов, когда изделие формируется из препрегов, а затем для доотверждения подвергается воздействию высоких температур). Обычно для изготовления сложных изделий более удобным является использование препрегов с большой жизнеспособностью, благодаря чему у таких материалов длительное время сохраняются липкость и способность к переработке.
В последнее время широкое распространение получает базальтовый композит, его достоинством является то, что он отлично работает с обычными смолами, применяемыми при изготовлении изделий, но пропитывается намного лучше, чем карбон.
https://basalt.today/ru/2017/04/10491/
Базальт - это темно-серые или черные, плотные, среднезернистые вулканические породы. Базальтовое волокно представляет собой 100% неорганическое минеральное непрерывное волокно, которое было выпущено для гражданского использования только в 1995 году. Размеры диаметра 11,0 мкм гарантируют наилучший компромисс между стабильностью, долговечностью и стоимостью. Кроме того, волокно имеет натуральный золотисто-коричневый цвет, который может быть использован в декоративных целях.
Известен способ изготовления и конструкция сэндвич-панели. Данная конструкция сэндвич-панели, включает в себя внутренний материал сердцевины, имеющего первую и вторую противоположные поверхности, первую и вторую облицовочные пленки, соответственно связанные с первой и второй противоположными поверхностями сердцевины, при этом панель включает в себя открыто-структурированную пленку, введенную между первой поверхностью сердцевины и соответствующей ей облицовочной пленкой, и панель включает в себя меньше 200 г/кв. м клея. Один из вариантов конструкции предполагает использование в качестве облицовочных слоев препрега (см. патент на изобретение РФ №2545370, МПК B32B 3/12 (2006.01), 2015 г).
Недостатками известного способа являются:
- прочностные качества сэндвич-панели ограничиваются низкими механическими характеристиками сердцевины;
- высокие показатели горючести материалов сердцевины.
Из источников доступных в Интернете известно формование изделий из препрегов, которое происходит следующим образом:
- производится форма или модель будущей детали из различных материалов (гипс, дерево и т.д.);
— на данную форму накладывают необходимое количество слоев препрега;
— помещают это все в автоклав, и под воздействием высокого давления и температуры осуществляется отверждение препрега;
— отвержденное изделие подвергают отделке и зачистке.
Часто при этом дополнительно используют и вакуумный мешок, это менее безопасно, но имеет ряд преимуществ.
Вакуумный Мешок можно использовать и без автоклава, если поместить все в вакуумный мешок и создать внешнее давление, то мешок равномерно прижмет препрег к форме. Это как поместить деталь в пакет и выкачать из него воздух. Такое формование имеет название формование с помощью вакуумного мешка.
Весь процесс можно разделить на 6 этапов:
• Покрытие формы разделительным веществом (воск, грунтовка и т.д.).
• Раскладывание абсолютно ровно углеткани в форме без морщин, пузырей и других дефектов.
• Каждый слой пропитывается смолой. Слои можно чередовать со стеклотканью, базальтовой тканью и другими композиционными материалами.
• Укладка перфорированной пленки для отжима смолы и воздуха.
• Укладывается впитывающий слой.
• Размещение в вакуумном мешке и подключение насоса.
(см. публикацию  - http://vys-tech.ru/2017/08/24/detali-iz-karbona/). Данное решение принято за прототип.
Недостатком известного способа является то, что при известности общих этапов получения композитных изделий для автомобильной промышленности, изготовление каждого изделия имеет свои специфические режимы неуказанные в описании, а значит не подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанной информации без дополнительного изобретательства.
Техническая проблема, решаемая изобретением - получение формуемого композитного бампера с локальными участками заданной прочности, при этом плотность должна находиться в диапазоне 0,5-2,0 г/см.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления композитного бампера для наземного транспортного средства, заключающемся в  формировании модели, покрытии модели разделительным веществом, накладывании на модель необходимого количества слоев препрега, накладывании перфорированной пленки и затем впитывающего слоя, размещении в вакуумном мешке и подключении насоса, с последующим размещением изделия в печи под воздействие температуры и давления, и дальнейшим охлаждением и механической обработкой изделия,
согласно изобретению
используют препрег из базальтовой ткани,  сначала нагревают  в печи  до 75°C при  скорости нагрева изделия 1,5-2 °C/минуту и выдерживают при этой температуре в течении 30 минут, затем производят последующий нагрев до 120°C со скоростью нагрева 1,5°C/минуту, с выдержкой при температуре 120°C в течении 30 минут, после чего  охлаждают со скоростью  не более чем 3°C/минуту до температуры окружающей среды, причем обеспечивают создание вакуума во время всего цикла нагрева, отверждения и охлаждения от 0,8 до 0,99 атм.
Используют базальтовый препрег плотностью плетения 240g/m2 с содержанием эпоксидной смолы в препреге в количестве 42%.
Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в получении изделия, имеющего повышенные  прочностные характеристики при значительном (до 40% ) снижении веса.
Использование при изготовлении бампера препрега из базальтовой ткани,  нагревание изделия  в печи  до 75°C при  скорости нагрева 1,5-2°C/минуту, с последующей выдержкой при этой температуре в течении 30 минут, дальнейшее нагревание до 120°C со скоростью 1,5°C/минуту и выдержка при температуре 120°C в течении 30 минут, затем  охлаждение изделия со скоростью  не более чем 3°C/минуту до температуры окружающей среды, при создании вакуума во время всего цикла нагрева, отверждения и охлаждения формы от 0,8 до 0,99 атм, позволяет получить изделие, имеющее повышенные  прочностные характеристики при значительном (до 40% ) снижении веса.
Использование препрега из базальтовой ткани, обладающего улучшенными впитывающими свойствами   (https://basalt.today/ru/2017/04/10491/) позволяет при пониженной температуре и  сокращенном  времени теплового воздействия получить изделие с  необходимыми физико-техническими характеристиками – повышенной прочностью и уменьшенным весом.
Нагрев изделия из базальтового препрега в печи со скоростью 1,5-2 °C/минуту, до температуры 75°C и дальнейшая 30 мин. выдержка при этой температуре при воздействии на изделие вакуума от 0,8 до 0,99 атм. способствует распределению связующего (смолы) по всей поверхности и проникновению его в слои базальтового препрега для обеспечения надежной  связи их между собой.
Последующий нагрев изделия из базальтового препрега при воздействии на изделие вакуума от 0,8 до 0,99 атм.  до 120°C со скоростью нагрева 1,5°C/минуту, с выдержкой при температуре 120°C в течении 30 минут способствует отверждению всех слоев базальтового препрега со связующим и образованию прочного соединения слоев базальтового препрега с образованием  монолита.
Дальнейшее охлаждение при воздействии на изделие вакуума от 0,8 до 0,99 атм., не быстрее чем 3°C/минуту, до температуры окружающей среды позволяет обеспечить постепенное охлаждение детали в форме, предотвращая деформацию геометрии как самой формы, так и детали в ней.
Давление вакуума во время всего цикла нагрева, отверждения и охлаждения изделия составляющее – 0,8 до 0,99 атм. способствует удалению воздушных (летучих) частиц из структуры препрега и из полости вакуумного мешка в целом, что обеспечивает высокое качество соединения всех слоев препрега между собой, без образования воздушных пузырей.
При нагреве со скоростью менее 1,5°C/минуту, например, даже со скоростью   1,3°C/минуту, смола, которой пропитан препрег, не затвердеет во время, тем самым выйдет за пределы ткани и деталь получится некачественной, с низкими физико-механическими свойствами.
При нагреве со скоростью более 2 °C/минуту, например, 3 градуса в минуту, смола, которой пропитан препрег, не успеет распределится по всей поверхности до отверждения, тем самым деталь получится некачественной,  с низкими физико-механическими свойствами.
Способ  изготовления композитного бампера из базальтового препрега (базальтовая ткань плотностью плетения 240g/m2 с содержанием эпоксидной смолы в количестве 42%) состоит из следующих основных этапов:
1) Подготовка модели (формы). На модель наносится специальный высокотемпературный разделительный состав.
2) Раскрой препрега. Раскрой может производится как ручным способом, так и автоматизированным при помощи раскроечной установки.
3) На модель накладывают необходимое число слоев препрега, выравнивая каждый слой для предотвращения появления морщин и заломов.
4) По верх последнего слоя препрега укладывают неперфорированную разделительную пленку.
5) Далее укладывают впитывающий (дренажный) слой. Дренажный слой должен соединяться с выходами вакуумного насоса, где локально должны быть уложены два или три дополнительных слоя дренажного материала.
6) Далее модель с уложенными слоями препрега  герметизируют вакуумным мешком. По периметру модель оклеивают высокотемпературным герметизирующим жгутом и накрывают высокотемпературной вакуумной пленкой. В вакуумный мешок вставляют трубку, соединенную с вакуумным насосом на котором должен быть установлен вакуумметр, либо дополнительно вставляют вторую трубку в мешок и подводят ее  к вакуумметру.
7) Далее создают вакуум для проверки герметичности мешка и, если герметичность достигнута, помещают модель в печь. Рекомендуется держать вакуум во время всего цикла  отверждения, даже во время охлаждения формы. Желательно использовать наибольший вакуум – 0,99 атм.
8) Начинают нагрев. Скорость нагрева выдерживают в пределах  1,5-2 °C/минуту.  При такой скорости нагревают до  75°C.  Последовательно изготавливали несколько партий изделий. Осуществление способа в части данной операции описано далее для каждой партии.
8.1. Первую партию в количестве 10 шт. изготавливали при первичном нагреве до  75°C со скоростью  1,5°C/минуту.
8.2. Вторую партию в количестве 10 шт. изготавливали при первичном нагреве до  75°C со скоростью  1,8°C/минуту.
8.3. Третью  партию в количестве 10 шт. изготавливали при первичном нагреве до  75°C со скоростью  2°C/минуту.
Последующие операции проводили для всех партий в одинаковой последовательности и с одинаковыми режимами.
9) После нагрева до 75°C выдерживали при этой температуре в течении 30 минут.
10) Далее производили  нагрев до 120°C, со скоростью нагрева 1,5°C/минуту.
11) При температуре 120°C производили выдержку в печи в течении 30 минут.
12) Затем  остужали  форму, не быстрее чем 3°C/минуту.
13) После того как  модель с изготовленным бампером остынут, бампер снимают с модели.
14) Далее производят механическую обработку изготовленного бампера. А именно, в нем фрезеруют технологические отверстия и приклеивают технологические кронштейны и крепления.
Препреги – это композиционные материалы-полуфабрикаты. Их получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими. Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала. Препреговая технология позволяет получить монолитные изделия сложной формы при минимальной инструментальной обработке.
Полученный композитный бампер из базальтового препрега, имеет локальные участки с заданной прочностью. Так локальными участками с повышенной прочностью являются ребра жесткости  и уклоны, задающие общую прочность конструкции, и используемые для крепления к ним осветительных приборов, а также для крепления к кузову транспортного средства с помощью крепежных элементов.
3
3
Локальными участками со сниженной прочностью являются плоскости  бампера, обеспечивающие поглощение энергии за счет прогиба менее прочной зоны контакта во время контакта транспортного средства с препятствием, в том числе головой и туловищем пешехода. При этом, повышенная прочность ребер жесткости  и уклонов и пониженная прочность плоскостей  бампера задана высокой плотностью композитного материала равной 1,6 г/см в первом случае и низкой плотностью композитного материала равной 0,8 г/см во втором. Это достигается за счет разности количества уложенных слоев препрега на оснастку во время формования детали. (от 1 слоя (0,2мм) и  до необходимого количества для набора нужной толщины изделия с учетом того что 1 слой препрега составляет 0,2 мм в готовом изделии.
Были проведены испытания изготовленных по заявляемому способу бамперов в сравнении с бамперами, изготовленными способами, известными из уровня техники, из других композитных материалов. Результаты испытаний показали, что изготовленные по заявленному способу бамперы, по сравнению с бамперами, изготовленными из стеклопластика и других композитных материалов, имеют повышенные  прочностные характеристики при значительном (до 40% ) снижении веса.
Заявленный способ может быть реализован с использованием известного оборудования (например, печи Nabertherm KTR 22500/S и применяемого вакуумного мешка, собранного на основе вакуумной пленки, например, Airtech Wrightlon 7400) и описанного материала – базальтового препрега (базальтовая ткань плотностью плетения 240g/m2 с содержанием эпоксидной смолы в  42%).
Заявляемое изобретение может быть использовано в области машиностроения, в частности, автомобилестроения, при изготовлении конструктивных элементов наземных транспортных средств, таких как  бамперы транспортных средств.