Современное ПЛАСТИКОВОЕ СУДОСТРОЕНИЕ

Артур Гроховский.

 

Технологии изготовления катеров и лодок


Сегодня существует достаточно большое количество различных методик укладки стеклоткани в форму, пропитки ее смолой и после­дующей формовки корпуса. Каждая из них имеет свои достоинства и недо­статки, а также области применения. Совершенствование и разнообразие конструкционных материалов также накладывает свой отпечаток на при­меняемые процессы. Современная стеклопластиковая композиция - очень сложный по со­ставу и структуре материал, состоящий из трех основных компонентов. Это, во-первых, сама химическая матрица или связующее - иными словами, смола и ее отвердитель, во-вторых, армирую­щие волокна стекло- или углеткани, несущие в композите основную физи­ческую нагрузку, в-третьих, наполни­тель, предназначенный для снижения удельного веса и/или себестоимости готового композита. В качестве такого наполнителя часто выступают бальса, пенопласты разных марок и др.

Смолы

В пластиковом судостроении чаще всего применяются полиэфирные смолы, причиной тому служат их уме­ренная себестоимость и достаточно простая технология применения. Са­мые дешевые вариации полиэфирных смол - так называемые ортофталевые,имеющие невысокие механические ка­чества и ограниченную стойкость к со­леной воде и ряду горюче-смазочных материалов. Эти смолы постепенно вы­ходят из употребления, однако кое-где еще используются, прежде всего фир­мами, которые производят небольшие лодки, значительную часть времени хранящиеся на берегу или рассчитан­ные на эксплуатацию в речных либо озерных условиях. Гораздо более высокими механи­ческими и химическими свойствами обладают изофталевые полиэфирные смолы, составляющие сегодня основ­ную долю применяемых в малом су­достроении. Но и им уже находится замена в лице винилэфирных смол: последние отличают не только бо­лее высокая прочность и химическая стойкость (они крайне мало подвер­жены гидролизному разложению или осмосу), но и (в отвержденном состоя­нии) повышенные вязкость и ударная стойкость. Также они берут на себя часть динамических нагрузок, испы­тываемых корпусом. Однако для пол­ной реализации всех достоинств смол этого типа их отверждение должно происходить по четко контролируе­мому температурному графику, что сложно осуществить на малых верфях. Еще одной технологической особен­ностью современных полиэфирных смол с малым выделением стирола (так называемых низкоэмиссионных) является сосредоточение после начала отверждения в их верхнем слое пара-финоподобных веществ, резко сни­жающих адгезию. Если такая смола начала отверждаться, то последующая приформовка к ней любых деталей возможна уже лишь после тщательной механической обработки поверхности застывшей смолы. Эпоксидные смолы стоят особня­ком. Это один из лучших по своим физико-химическим свойствам мате­риалов из имеющихся на рынке. Они отличаются высочайшей химической стойкостью и исключительными проч­ностными характеристиками, обеспе­чивающими высокую долговечность построенных с их использованием судов. Опытные яхтсмены знают, что на ходу эпоксидные яхты ведут себя по-иному, чем полиэфирные: их бо­лее жесткие корпуса иначе реагируют на волну, удары гребней о корпус тоже звучат по-другому. С современными эпоксидными термоотверждаемыми материалами можно (в отличие от низ­коэмиссионных полиэфирных смол) работать в несколько смен (они не ламинизируются вплоть до 30-40 ч), что позволяет при необходимости формовать очень толстые или очень сложные поверхности. (Эта их осо­бенность, впрочем, используется в основном как раз при изготовлении Используемые сегодня стеклоткани и мультиаксиальные волокна имеют различные, порой весьма сложные, типы переплетения этих волокон в процентном отноше­нии заметно отличается от Е-типа: 5Ю2 - около 65%, А12О3 - 25%, и М§0 - порядка 10%. Основные недостатки 5-тканей такие же, как и Е-типа, но к ним надо добавить еще и более высо­кую цену. Помимо тканей Е- и 5-типов суще­ствуют и чрезвычайно прочные стекло-материалы К-типа, имеющие высокий модуль упругости, но они пока нахо Ручной труд по-прежнему остается неизменной частью пластикового яхтостроения: он приме­няется как при укладке стеклоткани, так и в процессе ручной пропитки не крупносерийных, а эксклюзивных яхт.) Эпоксидные смолы обладают и гораздо более высокой адгезией. Од­нако, как и в случае с винилэфирными смолами, полная реализация всех вы­соких качеств эпоксидных связующих возможна лишь при «запекании» от­формованного корпуса при опреде­ленной температуре. Кроме того, при работе с ними нельзя не учитывать их весьма высокую токсичность. Цена же этих материалов в два-четыре раза выше полиэфирных. В последнее время появились эпоксидные смолы с наполнителем из нанотрубок, что сде­лало их одним из прочнейших синте­тических связующих на сегодняшний день. Цена этой смолы пока непосильна для современного массо­вого судостроения.

Армирующие материалы

В качестве армирующих материалов в пластиковом судостроении исполь­зуются в основном стеклоткани во многом благодаря универсальности их качеств: тут и цена, и прочность, и долговечность, и многое другое. Основ­ную долю занимают так называемые ткани Е-типа (или Е-ткани), получив­шие букву «Е» в своем обозначении от слова «е!есгпса1». Все дело в том, что первоначально волокна этого типа были созданы для электрической вы­соковольтной изоляции, и лишь после было обнаружено, что они пригодны для формовки сравнительно крупных изделий. Основными химическими веществами, входящими в состав этого волокна, являются 5Ю2 (около 55%), А1203 (ок. 15%) и окиси кальция и маг­ния (СаО и М§0), составляющие при­мерно 20% веса волокна. К недостат­кам волокон Е-типа следует отнести их невысокий модуль упругости, плохую стойкость к усталостным нагрузкам, относительно высокую (сравнительно с органическими волокнами) плотность. Правда, все это с лихвой компенсиру­ется сравнительно низкой ценой, до­вольно высокой прочностью, химо-, тепло- и огнестойкостью, а также простотой применения. Относительно недавно начали вхо­дить в практику судостроения волокна 5-типа, например, они применяются при постройке крупных яхт «Напзе». Буква «5» в индексе произошла от слова «зШпезх» (жесткость) и наглядно указывает на основное отличие 5-волокон от своих предшественниц. По прочно­сти на растяжение, как можно увидеть из приводимой таблицы, эти волокна превосходят даже углеткань и кевлар, но вот модуль Юнга у них по-прежнему остается низким. Химический составдят применение почти исключительно в аэрокосмической промышленности. Все существующие стекловолокна со­вместимы как с полиэфирными, так и с эпоксидными смолами. Здесь лучше подойдут традицион­ные тканые волокнистые материалы, выпускаемые ныне в широком ассор­тименте с самыми разными типами переплетения, прежде всего полот­няным и сатиновым. Различие типов переплетения определяет, в первую очередь, легкость укладки стеклот­кани в матрицу сложной формы, для этого больше всего подходит ткань са­тинового переплетения как наиболее эластичная. Массовое судостроение широко использует стеклоткани как наиболее удобный и универсальный армирующий материал. Стекломаты в современном судо­строении имеют довольно ограни­ченное применение. Их прочностные качества сравнительно невысоки (на фоне тканей и однонаправленных волокон), поэтому маты обычно ис­пользуют в качестве наружного слоя обшивки (между гелькоутом и первым слоем стеклоткани), что позволяет из­бежать «прорисовывания» структуры ткани на наружной поверхности кор­пуса. Также стекломат укладывают между двумя слоями толстой ткани, где он как обладающий повышенной впитывающей способностью спо­собствует предотвращению образо­вания больших воздушных пузырей. На недорогих лодках стекломаты, кроме того, используются в качестве своего рода наполнителя для сравни- тельно дешевого увеличения толщины обшивки.

Ручная формовка

Начать по праву следует с самого ста­рого способа изготовления пласти­ковых корпусов: ручной укладки и пропитки стеклоткани, зачастую на­зываемой ручной формовкой. Эта методика появилась еще тогда, когда собственно стеклоткани в ее нынеш­нем понимании (в виде тканого мате­риала) практически не существовало, и основную долю стекломатериалов со­ставляли стекломаты, представлявшие собой различной толщины рулоны из перепутанных стеклонитей (перепу-тывание в процессе производства стек-ломатов обеспечивалось при помощи пневматических устройств). Сам техно­логический процесс формовки прост и понятен: в форму поверх гелькоута укладывались слои стекломата, по­следовательно пропитываемые полиэ­фирной смолой, вплоть до достижения нужной толщины. Как правило, на заре пластикового судостроения должная толщина стеклопластикового корпуса определялась более «на глазок», чем точными расчетами и набиралась в основном по принципам «запас карман не тяготит», «где тонко, там и рвется», «тяжело, зато надежно». Как следствие, весьма многочисленные пластиковые яхты постройки, к примеру, 60-х гг. до сих пор можно встретить на воде.

Наполнители

Наполнители сегодня - одни из важнейших компонентов композитных конструкций. В яхтостроении их назначе­ние сводится в основном к увеличению толщины выклеиваемого ламината при одновременном снижении его массы. В качестве дополнительных бонусов -улучшенные шумо- и теплоизоляция, а также повышенная жесткость корпуса. Минусы, правда, тоже имеются: помимо увеличения трудоемкости производства, наличие сэндвича из двух разнородных материалов с разными модулями упрго-сти и уровнями адгезии к смоле может привести к расслоению (деламинации) пластика в процессе эксплуатации, крайне трудно поддающемуся ремонту. К деламинации (помимо дефектов из­готовления) приводит в первую очередь иной механизм деформации сэндвиче-вого пластика при воздействии на него сильных сосредоточенных (ударных) воздействий. С одной стороны, при значительной деформации вследствие сильного удара наполнитель сэндви-чевого корпуса воспринимает на себя часть поперечных нагрузок, разгру­жая наружный слой пластика, при этом внутренний слой начинает работать на растяжение, что весьма благоприятно для стеклоткани (и особенно для углет-кани). С другой стороны, сильные ка­сательные напряжения, возникающие на границе «пластик-наполнитель», приводят к тому, что пластиковые по­верхности сэндвичевого корпуса могут сдвинуться относительно наполнителя На британской верфи «МоПпзпоге Маппе» бальсу используют исключительно в надводной части корпусов. Предварительно ее заклеивают в чехол из стеклоткани. Вальса так легка, что рабочий (на заднем плане) в одиночку легко поднимает и перемещает довольно большую переборку из этого материала рывом клеевого слоя и потерей общей целостности конструкции), хотя внешне на корпусе может не быть абсолютно никаких дефектов. В силу этих обстоя­тельств ряд известных фирм (например, «Оухгег Маппе»), прежде всего выпу­скающих яхты высшей ценовой кате­гории, предпочитают изготавливать их из монолитного стеклопластика. Другие же (например, «Моггпзпоге Маппе») ре­комендуют обязательно проводить уль­тразвуковую дефектоскопию после лю­бых сильных ударов по сэндвичевому корпусу, даже при отсутствии видимых повреждений. Сегодня применяются в основном четыре вида наполнителей: это дерево, вспенивающиеся материалы, пенопла-сты и сотовые конструкции. В послед­нее время популярность также стали набирать синтетические материалы, имеющие в своей структуре воздухо-наполненные микрокапсулы или иные воздушные объемы и промежутки. У каждого из них - свои достоинства и недостатки. Дерево - традиционный напол­нитель, применяемый в пластиковом судостроении с давних пор. Соотношение «удельный вес-прочность» для некоторых типов наполнителей мерно в полтора раза легче пробки (и в 3-4 раза - многих пород дерева, про­израстающих в России). Гораздо реже, чем бальса, применяется морская фа­нера; иные же варианты деревянных наполнителей не выдержали проверки временем и практически вышли из употребления. Достоинства дерева вполне оче­видны: относительно невысокая цена, простота обработки, хорошая доступ­ность. Минусов, однако, тоже немало. И если с подверженностью бальсы гние­нию удалось (или почти удалось) спра­виться специальными пропитками, то другие недостатки дерева пока выгля­дят трудноустранимыми. Фанеру прак­тически невозможно применять в кри­волинейных поверхностях (в силу чего ее употребление ограничивается почти исключительно палубами и перебор­ками), бальса же очень сильно впиты­вает в себя смолу, что увеличивает вес готового композита и повышает риск недостаточного насыщения смолой прилегающих к наполнителю слоев ткани. Чтобы избежать этого, куски бальсового наполнителя часто зара­нее монтируют на листе плотной стек­лоткани, потом обклеивают их тканью снаружи и вклеивают в ламинируемый корпус, что увеличивает как трудоем­кость работы, так и риск последующей деламинации. Кроме того, бальса (как и практически любой другой продукт природного происхождения) является негомогенным материалом, свойства и характеристики которого могут за­метно отличаться от образца к образцу, в связи с чем ряд фирм (особенно при постройке единичных образцов яхт) стараются заранее подбирать бальсу по плотности. Еще один недостаток де­рева - анизотропность, выражающаяся в различии его свойств в зависимости от ориентации волокон. Несмотря на это, ряд известных фирм (например, «Сопур1ех») считает бальсу наилучшим материалом для наполнителя корпусов современных пластиковых яхт - в не­малой степени по причине близости модуля упругости этого дерева к сте­клопластику (что улучшает их совмест­ную работу) и отличной прочности на сжатие. Тепло- и шумоизолирующие свойства бальсы заметно уступают этим характеристикам современных пенопластов. В последнее время поя­вились композитные наполнители на основе бальсового дерева (например, РгоВа1$а), имеющие как высокую ста­бильность, так и улучшенные физико-механические качества. Вспенивающиеся материалы (в основном на основе полиуретана), не­смотря на периодически повторяющи­еся попытки их применения, так и не смогли найти достойное место в изго­товлении собственно стеклопластико-вых конструкций. Их применяют более или менее широко при заливке глухих таранных отсеков, объемов плавучести (в основном на малых судах), теплои­золяции бойлеров и на других тому по­добных локальных участках. Пенопласты сегодня являются, по­жалуй, первыми по популярности и значимости наполнителями. Рынок предлагает очень большое их количе­ство самой разнообразной плотности. Однако сразу же надо заметить, что по­давляющее большинство современных пенопластов, имеющих плотность рав­ную бальсе (или более низкую), суще­ственно уступают ей по прочностным характеристикам, особенно по ударной прочности. Основная доля конструк­ционных пенопластов - это компози­ции на основе ПВХ с закрытыми по­рами, имеющие минимальный уровень водопоглощения и отличные изоляци­онные характеристики. Пенопласты не гниют, многие из них имеют хорошую огнестойкость (либо не поддержи­вают горение, либо не горят вовсе), их основные свойства высокостабильны от партии к партии. Некоторые марки наполнителей могут легко изгибаться в подогретом состоянии, что удобно при выкладке листов пенопласта по криво­линейным поверхностям. Широкому распространению пе­нопластов способствовала возмож­ность передовой химической инду­стрии выпускать такие материалы Номекс теперь стараются применять в относительно ненагру­женных конструкциях, например, в переборках Кевларовые соты похожи на номек-совые, но внешне отличаются более насыщенным цветом Алюминиевые и титановые соты пока крайне редко используются в яхтостроении с различными, заранее заданными свойствами. На современном рынке несложно найти и сверхлегкие пено-пласты, и пенопласты, обладающие повышенной прочностью на сжатие (что необходимо при использовании вакуумных технологий формования), недавно появились и спецпенопласты, рассчитанные для «запекания» кор­пусов в печи. Проблемами здесь до недавнего времени было то, что боль­шинство ПВХ-композиций, во-первых, начинают плавиться при сравнительно небольшом повышении температуры, во-вторых, имеют очень высокий ко­эффициент теплового объемного рас­ширения. Это приводит после «за­пекания» к короблению корпуса и появлению в нем больших внутренних напряжений. Сравнительно недавно эти проблемы химиками-технологами были устранены. К сожалению, объем данной статьи не позволяет хотя бы вкратце рассмотреть весь тот широчай­ший перечень предлагаемых сегодня пористых ПВХ-материалов, исполь­зуемых в пластиковом судостроении, и к этой теме мы еще вернемся в от­дельной статье. Сотовые наполнители, представля­ющие собой вертикально ориентиро­ванные шестиугольные соты из тонкого и прочного материала, закрепленного между двумя клейкими поверхно­стями, применяются почти исключи­тельно для создания экстремальных спортивных яхт. Сейчас существуют следующие варианты таких конструк­ций: с сотами из полипропилена (ис­ключительно легкого пластика) или поликарбоната (довольно прочного материала), из номекса или кевлара (при всем своем химическом сходстве два этих материала довольно заметно различаются по свойствам и цене), из металла (относительно распространен лишь вариант с алюминиевыми со­тами, нержавеющие и титановые раз­новидности - пока суровая экзотика, встречающаяся лишь в авиакосмиче­ской индустрии). Полипропиленовые соты в яхтостроении пока почти не применяются: малая прочность этого материала дает ему шанс на использо­вание лишь при изготовлении деталей мебели или ненагруженных переборок - там, где нужна определенная тол­щина, а не особо высокая прочность. Соты из номекса широко распространены при строительстве экстремаль­ных многокорпусников, но недавние многочисленные аварии сильно подо­рвали реноме этого материала, в силу чего взоры конструкторов обратились к кевларовым сотам (например, типа Р1ахсоге РМ2), которые гораздо проч­нее, но, увы, много дороже. Алюминиевые сотовые конструк­ции в яхтостроении пока - очень большая редкость. Навскидку уда­ется вспомнить только одно судно, построенное с их использованием -рекордный катамаран Стива Фоссета «Р1аузгаглоп/Спеуеппе». Материал, однако, оказался небеспроблемным: по свидетельству участников кру­госветного плавания, подводные по­верхности корпусов, накопив внутри сотовых поверхностей огромный за­ряд статического электричества, фак­тически превратились в гигантский конденсатор, в один прекрасный мо­мент разрядившийся и «погасивший» всю бортовую электронику. Сегодня применение алюминиевых сот в яхто-строении, по мнению ряда специали­стов, оправданно лишь при изготовле­нии переборок. Еще один недостаток сотовых кон­струкций - их плохая стойкость к пи­ковым ударным нагрузкам, сконцен­трированным на малой площади. В этой ситуации потеря устойчивости части сот, приводящая к резкому па­дению несущей способности матери­ала - очень частый сценарий. В силу этого в местах основного сосредоточе­ния ударных нагрузок (районы фор­штевня/носовой скулы/днища вблизи кормовой оконечности) соты стара­ются заменять сплошным материалом типа бальсы или пенопластов. Новейшие материалы с воздуш­ными капсулами или объемами внутри широко представлены очень популяр­ным в России наполнителем Рогусоге (еще известен под названием Согетаг.), представляющим собой нетканый полиэфирный материал с воздушными микробаллонами. Другие материалы подобного рода (например, «трехмер­ная» стеклоткань РагаЬеат ЗО) лишь начинают находить свое применение в судостроении. Напол­нители типа Ро1усоге/Согета(: сравни­тельно дешевы, очень технологичны и просты в обработке, что обеспечило им популярность, в первую очередь среди изготовителей массовых лодок. Их главным отличием от большинства ра­нее рассмотренных наполнителей яв­ляется то, что они, будучи пронизаны сеткой почти капиллярных отверстий, пропитываются смолой одновременно со стеклотканью, образуя практически единый с последней композит, практи­чески не подверженный расслоению (деламинации). Это обстоятельство, без сомнения, выглядит огромным плюсом в глазах всех производителей. Недостаток таких материалов - до­вольно высокая масса получающегося (после полной пропитки смолой) ком­позита. Подобные наполнители совме­стимы со всеми типами существующих смол, но непригодны для работы с пре-прегами и в инфузионных процессах.

Напыление

Постепенное развитие технологий по­зволило привнести в пластиковое су­достроение важное новшество - тех­нологию укладки стекловолокна путем напыления (заметим, что примерное 40 лет назад на этот метод возлагались очень большие надежды). Сам метод заключается в подаче через специаль­ный пистолет-распылитель смолы, перемешанной с отвердителем, вкупе с отрезками однонаправленного стекло­волокна (подаваемый длинный жгут волокна нарезается непосредственно перед распылением на отрезки равной длины). Из такого пистолета рабочий «запыляет» форму, наполняя ее смолой с отрезками волокна и, увы, с мно­гочисленными пузырьками воздуха. В силу последнего механические качества готового изделия невысоки и сильно уступают изделиям, отформованным с использованием иных технологий. От­сутствие длинных цельных «от края до края» изделия стекловолокон тоже не способствует высокой общей прочно­сти получающегося продукта: в нем нет единой целостной структуры, обеспе­чиваемой стеклотканью. Как следствие, в силу все более и более растущих тре­бований к прочностным качествам яхт (и к наиболее выгодному соотно­шению «масса/прочность») этот метод формования практически полностью сегодня вышел из употребления, так как его единственным, по сути, досто­инством является лишь экономия вре­мени. Впрочем, порой его применяют при изготовлении корпусов небольших лодок или отдельных некритичных элементов конструкции. Заметим, что некоторые известные в нашей стране яхты постройки 70-х гг. прошлого века (например, польская «Саппа») выкле­ены именно этим способом. Наиболее же технологически изо­щренными и качественными с точки зрения получаемых результатов се­годня являются три способа формова­ния пластиковых корпусов: из препре-гов, вакуумными и инжекционными методами (их несколько) и в закрытой матрице (самый сложный из них).

Современные методы формования


С самого начала применения волокнистых термореактивных пластиков в промышленности (в судостроении это произошло ровно 50 лет назад, так что данный цикл статей, по замыслу автора, как раз и предназначен для того, чтобы оценить развитие технологий работы с пластиком за эти годы), инженеры и технологи задумывались о том, как усовершенствовать процесс формовки изделий. Высокая доля ручного труда и отсутствие строгой повторяемости (особенно весовой) при производстве серийных деталей оказались серьезными факторами, сдерживающими массовое применение стекловолоконных материалов при выпуске крупномасштабных партий продукции. Собственно говоря, именно этим обстоятельством и объясняется тот факт, что малое судостроение стало, по сути, пионером в освоении этих типов материалов и лидером в области новейших технологий работы с ними. Поскольку при производстве яхт (особенно - крупных) не так важно отсутствие точной весовой идентичности деталей, а высокая доля ручного труда при формовании корпусов тоже не очень критична при производстве нескольких десятков лодок в год (особенно парусных), где неавтоматизированных процессов в любом случае более чем хватает.

SМС


Однако время шло, достоинства стеклопластика заметили в других областях промышленности (например, в автомобилестроении), где с указанными выше недостатками мириться было нельзя. Да и производство стек-лопластиковых судов стало предъявлять все новые и новые требования как в плане снижения себестоимости, так и в части уменьшения эмиссионных выбросов при производстве. Ученые головы задумались и в конце 60-х гг. прошлого века родили первый частично автоматизированный процесс формовки деталей из волокнистых пластиков, названный SМС. Суть новой технологии заключалась в следующем: разогретая примерно до 180-190° С массивная стальная матрица заполнялась заранее подготовленной смесью связующего, отвердителя (и при необходимости какого-нибудь заполнителя), к которой добавлялся армирующий материал. После этого матрица закрывалась разогретым до той же температуры пуансоном с давлением порядка 15-18 МПа и выдерживалась в таком состоянии несколько минут. После разъема из матрицы вынималась готовая деталь, имеющая отличный внешний вид, гарантированное качество V. требующая минимум дополнительно» обработки. Помимо этого новый мето? обеспечивал и высокую весовую повторяемость деталей, поскольку смешивание и дозирование связующего состав; могло быть автоматизировано, равнс как и подача армирующего материал; (частично).
Создание этой технологии был< большим шагом вперед, оказавшимся однако, совершенно непригодным для пластикового судостроения. Значительные капиталовложения, необходимые для изготовления сложных по форме стальных матриц, вкупе с требованием применения мощного пресса могли окупиться лишь при годовом выпуске многих тысяч единиц продукции. Эта технология восхитила автомобилестроителей, но разочаровала специалистов яхтенных верфей. Процесс 5МС нашел широкое применение в автомобилестроении (одна из самых известных деталей, изготавливаемых по этой технологии - пластиковая поперечная рессора подвески автомобиля «Спеуго1е1 СогуеКе»), а также в некоторых других областях промышленности. Для яхтостроения же требовались иные процессы.

Вакуумирование


Параллельно с этим в пластиковом судостроении активно развивалось применение вакуумных методик формования. Строго говоря, эту технологию формования в его изначальном виде следует отнести к ручной формовке пластика, поскольку пропитка лами-ната смолой здесь производится вручную (за исключением применения пре-прегов) и лишь на следующей стадии применяется вакуумная «наволочка», эффективно отжимающая избыток смолы из ламината и минимизирующая вероятность возникновения пузырей и непроклеев. Вакуумирование было сравнительно недорогим (не требова-
лось практически никакого дорогостоящего оборудования), эффективным и несложным способом обеспечить высокую весовую идентичность формуемых деталей и их высокое качество. Для сравнительно небольших верфей, не готовых к широкомасштабным инвестициям в современные технологии, Вакуумирование до сих пор остается одним из самых простых средств, способных повысить качество судов.
При вакуумном обжатии формуемого ламината на его поверхность оказывается избыточное давление, теоретически (в пределе) равное атмосферному (101.3 кПа). На практике же такой величины достичь, разумеется, не удается - при современном оборудовании реальнее говорить об избыточном давлении порядка 70-80 кПа.
Существует две основные разновидности формования с использованием вакуума. Первый из них («сухое» формование) осуществляется, когда верхний слой выклеиваемого композита является сухим, т.е. свободен от связующего. Сегодня такой способ применяется только тогда, когда верхним слоем ламинируемой детали является наполнитель - пенопласт, фанера или что-то иное. Во всех остальных случаях рекомендуется применять «мокрое» формование, поскольку оно имеет заметные преимущества. В этом случае верхняя поверхность ламината, обращенная к вакуумному мешку, покрыта связующим. При данной технологии из
ламината хорошо удаляются излишки смолы, за счет чего весовое отношение «смола/ткань» становится более выгодным (у ряда фирм оно стремится к величине 30/70, порой доходя до рекордных 25/75), что делает формуемую деталь легче. Помимо этого при таком методе из ламината эффективно уходят пузырьки воздуха, а плотный прижим слоев друг к другу исключает их «ерзание» относительно друг друга внутри ламината при сильных знакопеременных нагрузках. Эта же технология применяется и при работе с пре-прегами (собственно говоря, сегодня она - единственная, которая пригодна для работы с ними).
Следует отметить, что применение вакуумного метода формования оказывает серьезную механическую нагрузку на матрицу, особенно негативно это воздействие сказывается на матрицах с сильно вогнутой формой - как раз тех, в которых формуют секции корпусов. В силу этого ряд фирм (в том числе широко известных) традиционно выполняет ламинирование секций корпусов вручную и только для секций палуб применяется вакуумное формование или еще более современные процессы наподобие инжекционных или инфузи-онных. В среднем рекомендуется иметь одну вакуумную «соску» на 1-2 м2 поверхности при «мокром» формовании, для «сухого» формования цифры (особенно при большой площади поверхности) могут быть заметно ниже.

Препреги


Препреги ( что означает предварительно пропитанный) представляют собой выпускаемые на специализированных фабриках заранее пропитанные смолой (как правило -эпоксидной, но встречаются и варианты с фенольными смолами) листы и рулоны стекло- или углеткани. Они появились как следствие одного из требований судостроителей (а чуть позднее - и ракетчиков): иметь постоянно стабильный уровень весового соотношения «ткань/смола». Еще одной причиной их появления стали довольно жесткие требования по охране труда: эпоксидная смола - весьма токсичный материал, и продолжительная работа с ней в «ручном» режиме (т.е. при ручной пропитке ламината смолой) весьма неблагоприятна для здоровья персонала. На специализированных же фабриках обработка ткани смолой с заранее добавленными туда отвердите-лем и катализатором ведется в режиме, не требующем контакта работников с токсичным связующим. Наряду с этими очевидными достоинствами у препрегов есть и существенные недостатки. Один из них - это не самое благоприятное весовое соотношение смолы и ткани, составляющее примерно 45:55. Как видим, весовая доля стеклоткани здесь ниже, чем при использовании вакуумирова-ния формуемого ламината. Вторым недостатком является необходимость хранить готовые препреги (до момента их использования в производстве) исключительно в холодильных камерах, что повышает производственные затраты. Далее, чтобы после выкладки в матрице полотнищ препрегов запустить процесс полимеризации смолы, содержащейся в них (его дополнительно сдерживают специальные ингибиторы), смолу надо нагреть, «запекая» корпус лодки в печи или некоем ее подобии (что производственных расходов тоже не сокращает). Ну и наконец нельзя не сказать о том, что при нарушении норм хранения препрегов содержащееся в них связующее (сложный комплекс, включающий в себя эпоксидную смолу, отвердитель, ингибитор, предотвращающий реакцию отверждения смолы при низкой и комнатной температуре, и катализатор, наоборот, инициирующий запуск процесса полимеризации при нагреве) может деградировать и резко потерять свои качества. К сожалению, способов оперативно проверить на месте пригодность препрегов не существует, и в процессе производства подобную потерю качества основного конструкционного материала попросту не обнаружить.
Все это вместе взятое осложняет использование препрегов. До сравнительно недавнего времени они применялись лишь при строительстве уникальных судов, наподобие кубковых яхт ТАСС и океанских гоночных яхт. Однако с началом нового тысячелетия они пошли в сравнительно массовое использование. Во многом, за счет того, что удалось решить ряд технологических проблем, серьезно затруднявших применение препрегов: например, увеличения объема и/или коробления пенопластов, используемых в качестве наполнителей в сэнд-вичевых конструкциях. Существует также опасность химического разложения пенопласта-наполнителя под воздействием горячих паров смолы при «запекании» корпуса, поскольку находящаяся в гелеобразном, полузастывшем состоянии смола при нагреве корпуса меняет фазовое состояние (еще до начала полимеризации), превращаясь в довольно текучую и летучую жидкость. Поэтому серьезные изготовители конструкционных материалов составляют таблицы их совместимости в различных комбинациях и пренебрегать ими ни в коем случае нельзя (кстати, многие изготовители препрегов очень рекомендуют в процессе укладки отделять наполнитель от препрега специальными клеющими пленками с особо высокой адгезией). Одним из пионеров широкого применения эпоксидных углетканых препрегов стала словенская верфь, опробовавшая применение этой технологии на яхте. Затем это знамя подхватили фирмы среднего и массового сегмента: например, германская, выпускающая широкий ассортимент яхт в варианте с эпоксидными корпусами, сделанными из препрегов.
Специалисты малого судостроения ожидают, что в ближайшие несколько лет практика применения препрегов серьезно расширится. И одной из причин ее этого станет отнюдь не только высокое качество получающихся таким образом корпусов, а требования «зеленых» к чистоте производственных процессов. Работа с препрегами на судоверфи означает практически нулевой (в сравнении с ручной пропиткой) выброс вредных веществ в атмосферу, а также отсутствие необходимости размещать на предприятии мощную фильтровентиляционную
установку, стоящую немалые деньги. На многих крупных современных европейских верфях единые централизованные ФВУ представляют собой сложную разветвленную систему воздуховодов, оснащенных большим количеством фильтров, вкупе с весьма высокой трубой, обеспечивающей выброс очищенного воздуха в окружающую атмосферу на высоте не менее 25 м. По оценке владельцев ряда подобных предприятий, стоимость подобного рода систем может доходить до 20-25% полной стоимости всего предприятия. Несмотря на это, строгие европейские нормы в любом случае запрещают размещение верфей, работающих с жидкими смолами, в пределах городской черты, требуя их выноса за пределы населенных пунктов (например, британская компания , строящая яхты, по этой причине вынуждена ламинировать корпуса на производственном участке, находящемся в часе езды от основного сборочного цеха верфи). В то же самое время судоверфь, работающая исключительно с препрегами может (исходя из санитарных соображений) располагаться даже в черте города (как, например, британская же компания «Сгееп Маппе» в Лимингтоне).
Но и препреги сегодня уже не являются самыми совершенными технологиями работы с волокнистыми термореактивными материалами. Умы многих ведущих специалистов заняты разработкой новейших процессов пропитывания тканей смолами: инжек-ционными, инфузионными и - вершина технологических достижений! - процессами с закрытой матрицей, довольно часто именуемыми КТМ-процессами.

 

бесплатный счетчик Рейтинг@Mail.ru

bigmir)net TOP 100