Инфузия

В сфере композитов инфузия смолы – это процесс, в котором пустоты пористого материала заполняются жидкой смолой. Когда смола затвердевает, смесь отвердевшей смолы соединяет материалы в единый жесткий композит. Армирующими материалами может выступать любой пористый материал, совместимый со смолой. Типичные материалы – неорганические волокна (наиболее часто используемые – стекловолокно), органические волокна, такие как лен или сочетание волоконо с другими материалами, например вспененными материалами с закрытыми ячейками, бальзой или сотовыми конструкциями. Пористые материалы также можно инфузировать на поверхности непористых материалов, таких как листовые металлы. Смолы обычно – термореактивного типа, но термопластичные смолы также можно использовать для инфузии.

Ключевой частью процесса является удаление или выведение воздуха из пористого материала перед подачей смолы. Воздух необходимо вывести из пористого материала для того, чтобы смола заняла его место. Самым простым образом процесс можно разбить на следующие стадии:

Зачем использовать процесс инфузии?

Процесс инфузии смолы является экономичным методом производства высококачественных и высокопрочных композиционных изделий, количество которых составляет примерно несколько сотен идентичных деталей с одной матрицы в год, или крупногабаритные изделия, которые сложно или достаточно дорого производить любым другим методом.

Преимущества процесса инфузии

• Низкие инвестиции. Обычно инвестиции чуть больше, чем требуется для производства композиционных деталей с помощью ручного формования в открытой матрице
• Возможность производить высокотехнологичные ламинаты с минимальным весом со свойствами, сравнимыми с ламинатами, производимыми более дорогстоящим способом, например препрег, отвержденный в автоклаве.
• Инфузия позволяет работать с армирующими материалами в сухом состоянии. Это исключает необходимость контакта со смолой. Можно избежать аллергических реакций от контакта со смолами.
• Процесс выполняется в «замкнутой» системе; то есть в полости между загерметизированным мешком и матрицей или между двумя герметичными матрицами. Как результат, минимальное воздействие неотвержденной смолы на атмосферу. Вероятность вредного воздействия на здоровье рабочих и на окружающую среду опасными летучими компонентами значительно сокращается. Из-за малой эмиссии летучих компонентов, стоимость на вентиляцию можно сократить.
• Если используется гибкая пленка, в инфузии используется минимальное количество смолы для заполнения пустот в сухом ламинате. Особенно для небольших / повторяющихся изделий, где практикуется применение многоразовой эластичной пленки, инфузия предлагает возможность сократить производственные затраты по сравнению с ручным формованием, одновременно улучшая качество ламината.
• Инфузия является практичным и бюджетным решением для производства крупных, высокопрочных / легковесных изделий за один раз, например корпуса лодки, лопасти ветротурбин, мостовые балки и другие.
• Количество компонентов, требуемых для производства изделия, может быть также значительно сократить при использовании инфузии.

Какие есть ограничения по процессу инфузии?

Инфузия смолы должна рассматриваться как производственная технология “работа в прогрессе”. На данной стадии ее разработки, инфузия имеет ряд ограничений. Ограничения следующие:

• Инфузия – относительно медленный производственный процесс. Обычно, этот процесс не очень подходит для тех применений, в которых требуются высокие скорости производства.
• Для единичных или крупных изделий, для производства которых не практично использовать многоразовые эластичные пленки или верхние матрицы, или же они необоснованно дорогие, процесс может привести к значительному количеству отходов (вакуумные пленки, трубки, и возможно, проводящие сетки и жертвенная ткань, если проводящую сетку нельзя оставить в ламинате).

Другие названия инфузии смолы и связанных вакуумных процессов

Существует несколько названий и акронизмов для процесса инфузии смолы или очень схожих процессов. Некоторые примеры:

• Инфузия с двойным (эластичным) мешком. Процесс, в котором один уровень вакуума применяется для расположения армирующих материалов, расположенных между матрицей и внутренним эластичным мешком, а второй уровень вакуума (обычно более высокий) применяется на пористый проводящий материал, уложенным между внутренним вакуумным мешком и вторым эластичным вакуумным мешком. Этот процесс не стоит путать с процессом DVB, разработанным NASA. Смотрите далее.
• Процесс DVB. В процессе с двойным вакуумным мешком, разработанным в NASA, жесткий перфорированный слой выкладывается между 2 эластичными мешками. Отдельные контролируемые уровни вакуума могут быть применены на внутренний мешок или на пустоту между 2 мешками. В частности, процесс DVB подходит для производства композиционных изделий, использующих смолы, высвобождающие водяные пары или пары растворителя в процессе отверждения.
• Процесс CAPRI. Инфузия с контролируемым атмосферным давлением. Это версия инфузии, запатентованной компанией Boeing Aircraft Co.
• Закрытое формование. Это общий термин, покрывающий широкий диапазон производственных процессов, проводимых внутри своего рода замкнутого пространства, например, между жесткой матрицей и эластичной пленкой, или между 2 жесткими половинками матрицы. Инфузия смолы – это один из примеров процессов закрытого формования.
• RTM. Формование с подачей смолы. Эта технология обычно обозначает процесс, в котором смола инжектируется в полость между скрепленными половинками матриц при давлении, которое обычно выше атмосферного давления. Тем не менее, термин RTM иногда применим к версии вакуумной инфузии. Смотрите RTM Light.
• RTM Light (Lite). Вариации вакуума технологии RTM, в котором смола закачивается в полость между нижней и верхней половинками матриц. Если фланцы по периметру матрицы увеличены по размеру и герметизированы, то вакуум можно также применять между двумя фланцами для удержания двух половинок вместе. Если вакуум используется для сжатия фланцев по периметру, вакуумная система должна производить 2 отдельных контролируемых уровня вакуума; один для области ламината, второй – для сжатия фланцев.
• Процесс SCRIMP. Это один из самых ранних запатентованных процессов инфузии.
• Вакуумная инфузия.
• VAP. Процесс с подачей вакуума. Это вариация процесса, запатентованная EADS.
• VIP. Процесс вакуумной инфузии.

Инфузия с одним уровнем вакуума с применением эластичного мешка более детально 

Критические элементы процесса инфузии

Процесс инфузии смолы можно сократить до следующих элементов, с аспектами, выделенными заглавными буквами, которые являются критичными для получения успеха в процессе:

1. Пакет СУХОГО материала для ламинирования располагается выкладывается на ГЕРМЕТИЧНОЙ матрице.
2. ГЕРМЕТИЧНАЯ эластичная пленка (обычно, известная под названием вакуумной мешок) выкладывается поверх ламината и ГЕРМЕТИЗИРУЕТСЯ на матрице по периметру ламината.
3. К мешку подводится как минимум два подсоединения; один – для возможности вывода воздуха из полости между мешком и матрицей, а другой – для подачи жидкой смолы.
4. С линией подачи смолы временно ПЕРЕКРЫТОЙ, с помощью вакуумного насоса выкачивается воздух из полости между мешком и матрицей. Уровень необходимого вакуума варьируется в зависимости от проницаемости материалов (то есть, с какой легкостью воздух и смола будут проходить через материалы), а также от сложности и желаемого качества конечного изделия. За исключением случаев, когда ламинат можно повредить излишним сжатием (например, срединные материалы низкой плотности), наилучшие результаты достигаются путем достижения максимального уровня, который может дать вакуумный насос.
5. После предварительного вывода воздуха, мешок и матрица должны быть временно отключены от вакуумного насоса для проверки уровня вакуума, оставшегося в детали, с помощью вакууметра. Если уровень вакуума остается постоянным, или более – менее постоянным, можно считать, что матрица и мешок достаточно ГЕРМЕТИЧНЫ, и можно переходить ко следующему этапу. Если же уровень вакуума падает намного быстрее, чем это допустимо, воздух будет попадать в полость и процесс продолжать нельзя. В данном случае необходимо найти утечку воздуха и исключить ее для продолжения процесса. Допустимый уровень утечки будет зависеть от размера изделия и желаемого качества ламината. Для крупногабаритных изделий, например корпус лодки, уровень утечки будет допустим в 3 мбар/минуту. Для небольших изделий или критичных изделий – допустимый уровень утечек может быть меньше на 10% от вышеуказанного, например, 3 мбар в течение 10 минут.
6. После достижения удовлетворительного уровня герметичности, можно снова открыть линию на вакуумный насос. Емкость для подачи смолы можно наполнить смешанной смолой и открыть линию подачи смолы. При открытой линии подачи смолы, жидкая смола будет подаваться в изделие под действием РАЗНИЦЫ ДАВЛЕНИЯ между атмосферным давлением, влияющим на смолу и уровнем вакуума в изделии, плюс или минус гидростатическое давление смолы, поднимающейся из-за подачи смолы относительно изделия. Если линии подачи смолы и вакуумные линии расположены правильно или были расположены вокруг сухого ламината до момента укладки мешка, жидкая смола просочится и пропитает весь ламинат.
7. В зависимости от типа используемой системы, УРОВЕНЬ ВАКУУМА ВО ВРЕМЯ ИНФУЗИИ будет необходимо регулировать до уровня, более низкого, чем может дать вакуумный насос. В частности, это применимо к смолам, содержащим летучие растворители, которые могут закипеть под вакуумом. Полиэфирные и винилэфирные смолы необходимо инфузировать при вакууме, меньше максимального.
8. Если используются термореактивные смолы, необходимо подождать определенный период времени, чтобы смола ОТВЕРДИЛАСЬ после полной пропитки ламината. Этот период времени может варьироваться от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от системы смолы и размеров изделия.
9. После отверждения смолы, мешок и изделие можно снять с матрицы. Получившееся изделие будет однородной конструкции, со всеми компонентами, соединенными внутри смолы.