Оценка возможности применения технологии вакуумного формования препрегов и семипрегов для изготовления средств реабилитации инвалидов

Введение

Полимерные композиционные материалы (ПКМ), выполненные с использованием препреговых технологий, широко используются в таких традиционных областях, как аэрокосмическая, машиностроительная, специальная и автомобильная промышленность [1–3]. Вместе с этим увеличение потребности в новых экономичных и экономически целесообразных изделиях как в авиационной, так и в иных высокотехнологичных отраслях промышленности вызывает необходимость постоянного обновления как самих материалов для этих изделий, так и технологий их изготовления [4, 5].

Благодаря отличным весовым и физико-механическим характеристикам ПКМ, изготовленные с использованием препреговых технологий, можно использовать для замены металлических сплавов [6, 7]. Однако все более актуальный запрос потребителей на высокую энергоэффективность технологических процессов и снижение стоимости требует поиска новых технологий переработки материалов. Особенно это заметно в гражданских областях промышленности, где важна экономическая эффективность изготовления продукции, что является одним из основных стимулирующих факторов их развития.

Таким способом стал вакуумный процесс формования с использованием препрегов или семипрегов (предварительно полностью или частично пропитанных связующим полуфабрикатов на основе тканых наполнителей или однонаправленных жгутов).

Замена энергоемкой технологии автоклавного формования на дешевую и простую технологию с низкими капиталовложениями позволила изготавливать конструкции практически без ограничений размеров получаемых изделий, которые налагает использование автоклава, и существенно сэкономить как на дорогостоящем оборудовании, так и на стоимости проведения самого процесса производства изделий. Как показано в работах [8–10], переход на новый способ изготовления не приводит к снижению уровня свойств изделий относительно традиционного автоклавного метода и практически гарантирует получение высокопрочных материалов. Зарубежные разработчики и производители материалов поставляют заказчикам как препреги для безавтоклавного формования, так и семипреги [11, 12].

Основными разработчиками технологий и производителями на мировом рынке препрегов являются компании Mitsubishi Rayon Co. Ltd, Teijin Limited, Toray Industries Inc., Hexcel Corporation, Gurit Holding AG, Royal Tencate N.V., SGL Group и др. В России производством препрегов с использованием различных типов наполнителей занимаются НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, АО «Препрег-СКМ» и ООО «Итекма».

Кроме основных зарекомендовавших себя потребителей ПКМ (авиационная промышленность, машино- и судостроение, изготовление специальной техники и др.), такие материалы все чаще применяют производители средств реабилитации инвалидов (протезов и ортезов) по тем же основным причинам – уникальное сочетание прочностных и отличных весовых характеристик.

На рынке РФ в настоящее время широко представлены изделия импортных разработчиков и производителей, таких как компании Ottobock (Германия), Öccur (Исландия), Orliman (Испания) (рис. 1) и др., а для изготовления отечественных средств реабилитации инвалидов чаще всего используют материалы импортного производства (европейские и китайские).

Методы изготовления таких изделий разнообразны и включают как автоклавное, так и неавтоклавное формование с применением предлагаемых на рынке ПКМ и самостоятельным изготовлением слоистых материалов из углеродной ткани и различных смол.

Вследствие введения антироссийских санкций некоторые зарубежные производители модулей или прекратили поставки, или значительно увеличили их сроки. В связи с этим актуальной стала разработка отечественных модулей. Наряду со все еще доступными на отечественном рынке импортными модулями стали появляться отечественные разработки модулей стопы с различными функциональными характеристиками, предназначенные для пациентов различного уровня двигательной активности, в том числе модули стоп для занятий спортом. Новые конструкции модулей продолжает создавать один из основных отечественных разработчиков и производителей – ООО «Анатомикс Бионическая Лаборатория» (рис. 2).

В части изготовления индивидуальных изделий из ПКМ также появляются новые разработки. Например, НПФ «Орто-Космос» начала изготовление индивидуальных ортезов на голень (рис. 3). Но, к сожалению, расширение области их применения тормозится высокой стоимостью изделия, которая определяется в том числе высокой стоимостью используемых в производстве материалов, в частности препрегов.

Материалы и методы

Как отмечено ранее, в качестве материалов для оценки применимости процесса вакуумного формования для изготовления средств реабилитации инвалидов выбраны разработанные в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ препрег ВКУ-39/ВТкУ-2.200 и семипреги марок ВКУ-69 и ВКУ-69/ВТкУ-2.200. Геометрические параметры экспериментальной конструкции и несколько вариантов опытной алюминиевой оснастки для ее изготовления предоставило ООО «Анатомикс Бионическая Лаборатория» (рис. 4).

Основное отличие семипрега от препрега заключается в наличии свободного непропитанного дренирующего слоя тканого наполнителя.

Для изготовления указанных материалов используется равнопрочная ткань марки ВТкУ-2.200 (препрег ВКУ-39/ВТкУ-2.200, семипрег ВКУ-69/ВТкУ-2.200), однонаправленная – марки ВТкУ-3 (семипрег марки ВКУ-69) и расплавные эпоксидные связующие разработки и производства НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ марок ВСЭ-1212 и ВСЭ-68 [13–15], свойства которых приведены в табл. 1.

Связующее ВСЭ-1212 имеет более высокие прочностные характеристики благодаря наличию термопластичной составляющей. С другой стороны, именно наличие термопласта приводит к увеличению вязкости связующего при температуре переработки, что не затрудняет формовку материала в автоклаве, но может создать дополнительные ограничения при вакуумном формовании.

Необходимо отметить, что данные материалы имеют максимальную температуру отверждения 180 °С и разработаны для изготовления средне- и высокопрочных конструкций с максимальной температурой эксплуатации 120 °С. Цель данной работы – определение возможности применения технологии вакуумного формования препрегов для изготовления средств реабилитации инвалидов. Для подобных изделий такая высокая рабочая температура не является актуальной. Кроме того, высокая температура отверждения приводит к дополнительной излишней энергонасыщенности процесса переработки препрега, что также не является необходимым для предполагаемой области применения изделий из этого материала. Из практики известно, что температура переработки материалов до 120–130 °С является «удобной» для потребителя, одновременно обеспечивает высокий уровень физико-механических свойств ПКМ и снижает энергопотребление технологического процесса. Соответственно, для развития данного направления целесообразно подобрать или разработать материалы для вакуумного формования именно в этой температурной области переработки и эксплуатации.

Основные свойства использованных в работе материалов (препрега и семипрегов) приведены в табл. 2.

В работе использована технология вакуумного формования препрегов, позволяющая обеспечить получение высококачественных изделий из ПКМ с гораздо меньшими энергозатратами и высокой экономической эффективностью за счет более низкой стоимости оборудования относительно традиционного и привычного автоклавного формования. Кроме того, необходимо помнить, что автоклав является устройством, относящимся к опасным производственным объектам, что подразумевает организацию рабочего места и проведение специализированных мероприятий по осуществлению производственного контроля за безопасной эксплуатацией оборудования, работающего под избыточным давлением, в соответствии с требованиями Ростехнадзора [16].

Организация процесса вакуумного формования препрегов отличается простотой и требует минимального оснащения специализированным оборудованием (термошкаф, обеспечивающий необходимый уровень температуры для отверждения используемого в препреге (семипреге) связующего, и вакуумный насос достаточной мощности для дегазации воздушной фазы из технологического пакета). Материалы для сборки технологического пакета являются стандартными для организации процесса вакуумного формования при таких уровнях температур и вполне доступны на рынке РФ.

Сборка технологического пакета должна обеспечить первоначально оптимальную схему отвода воздушной фазы путем укладки жертвенной ткани и дренажа в соответствии с геометрическими параметрами получаемого изделия. При сборке пакета необходимо учитывать возможные ограничения оттока связующего из слоев препрега для исключения «пересушки» получаемого ПКМ [17, 18].

В работе [19] показано, что в случае оптимальной организации процесса изготовления ПКМ безавтоклавным формованием препрега реально получать изделия с физико-механическими свойствами, приближенными к свойствам «автоклавного» аналога. Использование семипрега при этом методе формования в еще большей степени упрощает сам подход к получению низкопористого материала (так как наличие пор в первую очередь определяет механические характеристики материала) – присутствие непропитанного фрагмента тканого наполнителя обеспечивает облегченную дегазацию летучих компонентов и более короткое время вакуумирования в сравнении с препреговым аналогом [20–22].

Результаты и обсуждение

В процессе оценки возможности применения технологии вакуумного формования препрегов для изготовления средств реабилитации инвалидов, в частностиконструктивно-подобного элемента (КПЭ) фрагмента модуля стопы, использованы семипреги и препрег на основе углеродных наполнителей.

С учетом более быстрого и простого проведения процесса вакуумирования семипрегов экспериментальные работы начаты именно с этих материалов. В КПЭ изделия использовано чередование слоев армирующего наполнителя: в качестве внешних покровных слоев применен семипрег на основе равнопрочной ткани, в качестве основных внутренних – на основе однонаправленного наполнителя.

С учетом разнотолщинности изделия проведен раскрой семипрега на необходимое количество фрагментов различной длины при фиксированной ширине выкладываемого материала (рис. 5).

На рис. 6 приведены изображения процесса подготовки технологического вакуумного пакета с использованием семипрегов на основе как равнопрочной ткани, так и однонаправленного наполнителя.

Как указано ранее, при изготовлении ПКМ с использованием процесса безавтоклавного формования исключительно важны максимальное удаление воздушной фазы из технологического пакета и, соответственно, грамотная организация его сборки для газоотведения по всей площади выложенного углеродного материала. В случае использования семипрега ситуация упрощается за счет наличия в монослое материала сухой, не пропитанной связующим составляющей тканого наполнителя (рис. 4). Выкладка жертвенной ткани и дренажного материала дополнялась размещением в сборке сухого стекловолокна, которое дополнительно обеспечивало на этапе вакуумирования отвод воздушной фазы из технологического пакета.

Отверждение семипрегов проводили по ранее отработанному ступенчатому режиму с максимальной температурой нагрева 180 °С [8]. Необходимо отметить, что важным фактором, влияющим на качество изготовления детали, является точный контроль температуры в процессе отверждения материала, в частности проведение прогрева с учетом данных не только термопары термошкафа, но и термопары, размещенной на оснастке. Такой дополнительный контроль тем более является актуальным в случае использования массивной металлической оснастки с высокой теплоемкостью, время прогрева и, соответственно, реальная температура которой значительно отличаются от показателей термопары шкафа.

В результате проведенного подбора оптимальной схемы дегазации вакуумного технологического пакета получен образец КПЭ. После торцовки образца проведен ультразвуковой контроль эхоимпульсным методом в ручном режиме с целью оценки сплошности материала на межслойные расслоения и иные дефекты. Показано, что в плоских частях КПЭ фрагмента модуля стопы отсутствуют дефекты и расслоения (рис. 7).

В зонах перегиба изделия, полученного данным способом, проведение оценки затруднительно, поскольку используемый датчик ультразвукового контроля не обеспечивал полного контакта с поверхностью исследуемой пластины, в этих зонах фрагменты изображения окрашены в другой цвет. Для корректного и полного определения качества изготовления КПЭ сложной формы необходимо использовать иные способы контроля, например рентгеновскую компьютерную томографию, результаты которой не зависят от кривизны поверхности исследуемого образца. Однако в данном случае цель подробного исследования КПЭ не ставилась, полученный результат подтвердил бездефектность и сплошность материала в изученных зонах.

Аналогичным образом проведена работа по изготовлению КПЭ фрагмента модуля стопы из препрега вакуумным формованием. В данном случае использован только один материал на основе равнопрочной углеродной ткани, который раскроен на необходимое количество фрагментов различной длины при фиксированной ширине. В качестве оснастки применяли менее материало- и теплоемкий образец, предоставленный ООО «Анатомикс Бионическая Лаборатория».

На рис. 8 приведены изображения процесса изготовления КПЭ фрагмента модуля стопы с использованием препрега.

Следует отметить, что ввиду особенностей материалов (полная пропитка препрега и частичная пропитка семипрега) поведение сборок слоев в технологическом пакете оказалось различным. Семипрег при формовании равномерно распределился по оснастке, в зоне перегиба заметные сдвижки и иные дефекты не образовались. В случае препрега пришлось использовать дополнительную «ответную» цулагу при формовке, поскольку без нее при повышении температуры, когда связующее при снижении вязкости начинало течь, верхние слои материала сдвигались и собирались складкой наподобие «клюва», что существенно искажало форму изделия (рис. 8, в). Попытка компенсировать эти дефекты за счет сборки вакуумного пакета на внутренней стороне оснастки не увенчалась успехом, расслоения и сдвиг материала происходили, но в меньшей степени.

Использование второй оснастки позволило компенсировать нагрузки, возникающие в материале, и обеспечило изготовление бездефектного материала.

На рис. 8, г видно вытекание связующего в жертвенный слой. Это обычное явление при таком способе формования, когда периметр выложенных слоев препрега не «глушится» герметизирующим жгутом, а позволяет проводить предварительное вакуумирование сборки материала в технологическом пакете, в отличие от автоклавного формования, оставляя некоторое количество газовой фазы внутри пакета. При высоком давлении оставшаяся газовая фаза сожмется до приемлемой величины объемной доли пор в ПКМ.

Как и в случае использования семипрегов, ультразвуковой контроль эхоимпульсным методом в ручном режиме показал отсутствие дефектов и расслоений в плоских частях КПЭ фрагмента модуля стопы (рис. 9), в зоне перегиба использование данного метода не является корректным.

Заключения

Оценка возможности применения технологии вакуумного формования с использованием разработанных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ материалов (препрега и семипрегов) для изготовления средств реабилитации инвалидов показала реализуемость этого подхода при изготовлении КЭП модуля стопы и может быть транспонирована более широко на изготовление иных изделий в этой отрасли. Показаны отличия поведения сборки слоев в технологическом пакете препрега и семипрегов при отверждении (образование складки еще не отвержденного материала). Указан возможный путь решения этой проблемы. Проведение ультразвукового контроля эхоимпульсным методом в ручном режиме показало отсутствие дефектов и расслоений в углепластиках КПЭ на основе как препрега, так и семипрегов.

Применение процесса вакуумного формования в промышленности при изготовлении различных образцов конструкций обеспечит переход к качественно новым технологическим процессам и использованию современных перспективных отечественных материалов, а также будет способствовать сокращению разрыва между российскими и зарубежными конкурентными технологиями.

Для реализации вакуумного формования с использованием рассмотренных материалов при изготовлении средств реабилитации инвалидов целесообразно добиться снижения температуры формования углепластиков до достаточных в указанной области применения и обеспечить стоимость материалов, конкурентную на рынке РФ.

Работа проведена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Министерство) в рамках Соглашения № 075-11-2025-012 между Министерством и Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» на основании Распоряжения Правительства Российской Федерации № 1789-р от 04.07.2023 об утверждении комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Новые композиционные материалы: технологии конструирования и производства».