Стеклопластик: технология

Стеклопластик- самый популярный материал тюнинговиков всего мира. Дело в том, что, в отличии от всех других материалов, стеклопластиковые детали можно изготовить чуть ли не в гараже на коленках.

Стекловата используется людьми с начала прошлого века. Стекловолокно появилось лишь в 40-х годах. Этот материал уже давно применяется в изготовлении лодок. Стеклопластик- достаточно универсальный материал. Можно изготовить тоненькую декоративную накладку на бампер которым можно будет снег во дворе разгребать. Были прецеденты когда автомобиль с кузовом, изготовленным из стеклопластика, врезались простые,"стальные" автомобили и результат был не в пользу последних. Конечно речь идет о специальных деталях, где осуществляется специальное упрочнение ,но в любом случае стеклопластиковые детали- достаточно крепкая штука.

Что такое стеклопластик? Если просто, то этот материал представляет собой стекловолокно, пропитанное некой смолой. Смолы бывают разные, для разных условий работы и необходимых характеристик готового изделия. Есть смолы, которые застываю при комнатной температуре, а есть такие, которым необходим нагрев. Смола и специальный катализатор(отвердитель) тщательно смешиваются в определенной пропорции, и затем этим составом пропитывают полотно, состоящее из особых стекловолокон.

Сама смола довольно хрупкая штука, и именно стекловолокно придает ей необходимую прочность и гибкость. Для получения изделий из стекловолокна часто придется изготавливать специальные матрицы, но об этом далее.

Очень важно правильно подобрать пропорции смолы и катализатора. Если переборщить с последним, то смола застынет раньше, чем вы сможете закончить работу. Если недолить, то смола будет сохнуть слишком долго.

Материалы.
Стекломаты различаются по толщине и плотности, но разделяют их по весу одного квадратного метра материала в граммах:300,450,600,900.Стекловуаль с плотностью 32г/кв.м позволяет вывести поверхность очень высокой сложности, с большим кол-вом граней и резких переходов. Толстый мат(600 или 900) позволяет набрать толщину изделия и добиться необходимой прочности .Стоит отметить, что при создании толстых изделий работа проходит в несколько этапов. Выкладывается несколько листов для получения первого слоя и дается время на застывание. Затем дополнительно, уже на твербую поверхность, укладывается дополнительные листы мата для придания необходимой толщины. Если попытаться уложить сразу все слои, то велика вероятность, что готовое изделие покоробится, стянется.

Стеклоткани
(иногда за характерное плетение их называют "рогожей") бывают разной толщины. Эти ткани также используется для придания жесткости и обьема готового изделию. Как и любая ткань, стеклоткань работает неодинакого при разнонаправленном растяжении. Поэтому для придания необходимой жесткости стеклоткань укладывается под разными углами. Качество стекловолокна играет немаловажную роль. Оно должно хорошо пропитываться смолой и удерживать ее между волокнами.

Для придания изделиям с большими плоскостями прочности и стабильности, а также для снижения массы готового изделия применяются специальные вставки из особого материала-поликора. Поликор - это нетканый материал из непрерывного полиэфирного волокна, содержащий в своей структуре микробаллоны. Этот материал укладывается между несколькими слоями стекломата. Зачастую поликор вклеивается лишь армирующими полосками, а не большими полотнищами.

К слову о прочности. Как это ни прозвучит, но чем меньше смолы в стекловолокне (при условии его полной пропитки и отсутствии пузырьков), тем прочнее будет готовое изделие и тем меньше окажется и его вес.

Часто можно услышать об автомобилях со стеклопластиковыми кузовными элементами, что они стойки к царапанию, так как окрашены в массе. Это не совсем так. Поцарапать их можно а цвет сохраниться. Происходит это потому, что при изготовлении деталей с качественной поверхностью, поначалу в матрицу наносится декоративный слой особого материала-гелькоат (gelcoat-гелевое порытие). Это полиэфирный состав и освобождает изделие от дальнейшей покраски. Его можно подобрать по цвету или создать свой оттенок колеровочными составами. Кроме того, гелькоатный слой увеличивает срок службы изделия, защищает от воздействия окружающей среды и скрывает структуру стеклопластика. После того как гелькоат затвердел, укладывается стекловолокно и смола. Готовое изделие будет иметь ровную (зависит от качества матрицы),нужного цвета поверхность.

В этом процессе кроется один важный момент. Если слой гелькоата будет в одном месте слишком тонкий, то может случится следующие: или в этом месте будет просвечивать структура стекловолокна, или гелькоат вообще может отойти и сморщится. Поэтому крайне важно пользоваться правильными материалами и следовать технологии. Для равномерного нанесения гелькоата часто используют не кисти, а краскопульты. Так удается значительно сократить кол-во брака. Но для распыления гелькоат должен быть более жидким, чем для ручного нанесения.

Макет и матрица.
Для изготовления из стеклопластика первое, что необходимо,- создать его макет. Собственно, макет нужен всегда, но при одноразовой работе иногда удается укладывать стеклоткань на временные распорки. Этот подход срабатывает только тогда, когда нет необходимости в создании качественной поверхности. К примеру, очень часто при изготовлении новых дверных панелей основу изготавливают из стеклопластика изготавливают прямо на двери, защитив ее предварительно пленкой бумажного скотча, полиэтилена, воска и т.п. Плохое качество поверхности в данном случае мало кого волнует, так как затем на эту прочную стеклопластиковую корку клеится пористый материал, а на него кожа, ткань или что-то другое. Технология изготовления кузовных и декоративных изделий из стеклопластика и тех предметов, которые будут тиражироваться, несколько сложнее.

Здесь не обойтись без макетирования и матрицирования. Макет будущего изделия может быть изготовлен различными способами: фанера, пластилин, пенопласт и т.д.. От того, насколько правильно сделан макет, будет зависить качество будущих изделий. Более того, если необходимо, чтобы у детали, которая будет затем создаваться, была идеальная поверхность, над ее качеством придется поработать уже на макете. Чем более ровным и гладким будет макет, тем меньше работы потребуется потом , при изготовлении и доведении матрицы.

Еще до создания макета необходимо понять, можно ли изготовить деталь целиком или нет. Дело в том, что при работе со стеклопластиком и другими подобными материалами необходимо, чтобы готовую деталь после застывания можно было вытащить из матрицы, ничего не повредив при этом. Возможно деталь иметь форму, ч то ее придется изготавливать из нескольких частей, а затем скреплять их друг с другом, но выклеить шар через угольное ушко ряд ли получится. Матрица создается по макету. Это самый ответственный момент. Прежде всего макет вощится, т.е. покрывается тонким слоем воска. Эту процедуру можно сравнить с полировкой автомобиля. После того как макет подготовлен, на него наносится слой специального матричного гелькоата. Это покрытие в дальнейшем позволит вывести поверхность матрицы практически до зеркального блеска. Матричный гелькоат гуще, чем обычный, и ложится более толстым слоем.

После того как встанет этот слой, начинается укладывание стекломата. Сначала- тонкую стекловуаль. Она позволит точно повторить все изгибы и контуры макета. Далее желательно дать просохнуть первому слою.

Затем уже можно ложить еще несколько слоев более толстого мата, но сразу набирать толщину не стоит, иначе матрицу может повести (изогнуть и покоробить). При создании матриц на простые детали можно упростить процедуру. Тут главное -опыт.

Если матрица будет разьемной, то при ее изготовлении делаются специальные перегородки вокруг макета, разделяющие его на сегменты. Выложив основной, после его застывания перегородки вынимаются и, обработав кромки первого сегмента матрицы, выкладывается остальное. Для правильного позиционирования сегментов друг относительно друга в первом формовании делаются специальные ямки. Когда будут формоваться следующие сегменты, эти ямки будут заполнены смолой и стекловолокном, и появятся бугорки. Эти пары и позволят при будущем использовании правильно скрепить различные матрицы воедино. Для скрепления сегментов матрицы в ребрах всех отдельных частей сверлятся отверстия под крепежные болты.

Для того чтобы матрица была прочной и хорошо держала форму, после ее изготовления, прежде чем вынуть макет, к матрице приформовывают ребра жесткости. В зависимости от ее размеров это может быть прочный стальной каркас или небольшие фанерные или деревянные ребра.

Готовая матрица, если макет был изготовлен аккуратно, может и не потребовать дополнительной обработки, но зачастую приходится выводить поверхности, шлифовать и полировать матрицу до блеска. Только тогда можно получит идеальную деталь. А к кузовным элементам вообще нужно особое внимание. Затем начинается долгий процесс вощения. Матрицу приходится тщательно натирать воском несколько раз с перерывами. Воск не просто размазывать, а растирать для получения тонкой, гладкой, невидимой пленки. Если этого не делать, то поверхность изделия будет не гладкой, а шершавой. После, а порой и вместо вощения иногда используют специальные жидкости, которые, высыхая, создают пленочное покрытие, предотвращающее попадание смолы или гелькоата на матрицу, чего никак нельзя допускать.

Как нельзя и царапать ее поверхность. В противном случае смола может "намертво"прирасти к матрице, и тогда процедуру шлифовки и вощения придется повторять снова. Порой используют особые составы, обработав которыми матрицу можно снимать с нее до 100 изделий, но старый добрый воск всегда остается самым понятным и надежным средством.

Процесс создания матрицы, описанный выше, является довольно распространенным вариантом, используемый в большинстве тюнинговых фирм, но это не означает, что нет иных способов. Существует компьютерные технологии, станки с ЧПУ, позволяющие по виртуальной модели выбрать из любого материала любой макет или уже готовые пресс-форму или матрицу. Но это уже промышленный, не гаражный уровень. Соответственно, далее можно приступать к изготовлению деталей. Слой гелькоата в принципе не обязателен но, во-первых, он придает более законченный вид готовому изделию, а будучи цветным, позволяет сэкономить на покраске или вообще от нее отказаться, в во-вторых, он защищает матрицу от стекловолокна, которое на самом деле очень даже абразивно, т.е. царапает.

Технологий производства изделий из стекловолокна существует несколько. Стоит сразу оговориться, что эти методы используется при работе с другими армирующими материалами, такими как карбон, кевлар.

Ручное (контактное) формование.
Этот способ самый простой и дешевый (если не считать затрат на квалифицированную рабочую силу). Пропитка стекловолокна осуществляется валиком или кистью, которые должны быть стойкими к смолам. Волокно или сразу укладывается в форму , или уже после пропитки. Обработка стекловолокна разбивочными валиками способствует лучшему распределению смолы между волокнами. Затем укаточными валиками производят окончательную укатку стеклоткани, выдавливая пузырьки воздуха и равномерно распределяя смолу по всему обьему.Крайне ажно не допустить, чтобы под слоем стеклоткани оставались пузырьки воздуха. Если изделие застынет с таким браком, это место будет ослаблено вплоть до возможного сквозного продавливания. Такие брачки также могут помешать дальнейшей обработе изделия, потребовать его восстановления или полной замены. В любом случае будут затрачены дополнительные материалы, труд, а также деньги. Ручной метод может быть нескольо механизирован. Существует смесители, подающие смолу с катализатором через валик, и иные приспособления. Но укатывать все равно придется своими рувами.

Достоинство ручного метода вполне очевидно: просто и дешево. Но любая экономия может иметь и обратную сторону. Качество готовых изделий очень сильно зависит от квалификации рабочих. И условия труда при таком подходе довольно вредные. Кроме того, очень сложно добиться большой производительности. Однако для небольших фирм и малых обьемов работы этот метод самый подходящий. Метод напыления рубленого ровиннга.

Этот подход куда более технологичен. В нем используются не стеловолокно, а стеклонить, которая подается измельчитель специального пистолета, где рубится на короткие волокна. Затем пистолет "выплевывает" их вместе с порцией смолы и катализатора. В воздухе все смешивается и наносится на форму. Но после этой процедуры все равно массу необходимо прикатать, чтобы удалить пузырьки. Далее отвердевание происходит как обычно.

Такой способ выглядит очень заманчиво и просто. Казалось бы, стой и поливай из шланга.Но есть один существенный недостаток, из-за которого этот способ не столь популярен,- слишком большой расход смолы. Изделие получается очень тяжелым, и, так как волокна не переплетены друг с другом, механические свойства такого стеклопластика несколько хуже. Кроме того, к вредным парам смол подмешивается взвесь мелких частиц стекла от измельчителя, очень вредных для легких человека.

Метод намотки.
Этот специфический метод предназначен для изготовления пустотелых круглых или овальных секционных комплектов, типо труб или резервуаров. Таким образом делаются парусные мачты, удочки, рамы велосипедов, глушители автомобилей и т.д. Стекловолокна пропускаются через ванну со смолой, затем через натяжные валики, служащие для натяжения волокна и удаления излишков смолы. Волокна наматываются на сердечник с необходимым сечением, угол намотки контролируется отношением скорости движения тележки в скорости вращения. Как намотка нитки на шпульку швейной машинки. В результате получаются крепкие и легкие изделия. И достоинства, и недостатки этого метода очень близки. Им не сделать автомобильное крыло, но сделать матчу корабля или даже кардан другими способами не менее сложно.

Метод прегрегов.
В данном случае используется не отдельные смола и ткань, а так называемые прегреги-предварительно пропитанная смолами стеклоткань. Стекловолокно предварительно пропитывается предкатализированной смолой под высокой температурой и большим давлением. При низкий температурах такие заготовки могут храниться недели и даже месяцы. При этом смола в пределах находится в полутвердом состоянии. При формовании препреги укладываются в матрицу и закрываются ваккумным мешком. После нагрева до 120-180 с смола переходит в текучее состояние, и препрег под действием вакуума принимает нужную форму. При дальнейшем повышении температуры смола застывает.

Вся проблема этого метода в необходимости нагревательного оборудования, особенно автоклава. По этой причине изготавливать большие детали очень сложно. Но и плюсы очевидны. Использование вакуума позволяет значительно снизить вероятность появления воздушных пузырьков и существенно сократить долю смолы в готовом изделии. Существуют и иные технологии-пультрузия,RFI,RTM и др. -практически на все случаи жизни. Выбор той или иной технологии зависит от необходимых обьемов, сложности изделия и количества денег у организатора такого производства.

Выводы.
Что дает стеклопластик? Прежде всего-вес. И хотя для создания по -настоящему крепких деталей порой приходится их делать толстыми, а это лишние килограммы, но, в отличии от стали или алюминия, стеклопластик способен возвращаться в исходную форму после ударов, не повлекший за собой разрушения элемента. И при ремонте деталей из стеклопластика понятие "кузовня" приобретает несколько иной смысл. Незначительные трещины могут быть заклеены изнутри смолой, с наложением листа стеклоткани или мата. Большие повреждения можно восстановить, уложив деталь снова в матрицу и восстановив по порядку нужный сегмент. Но такой способ может не дать хорошего качества, и велика вероятность повреждения матрицы, а этого никак нельзя допускать. Проше сделать новый элемент. Хотя стеклопластиковые детали можно восстанавливать старым способом: шпаклевка, штапель, шкурка, и вода. К недостаткам следует отнести высокую стоимость материалов. Но что самое плохое высокая токсичность. При работе с этим материалом крайне важно соблюдать технику безопасности. Желательно пользоваться распиратором, поскольку пары эпоксидных смол совсем небезвредны.

Как бы то ни было, стеклопластики по сей день остается самым популярным материалом мирового тюнинга. И хотя разнообразные кевлары, карбоны, пенополиуретаны, базальтовое волокно и т.п. начинают все сильнее его теснить, думается, что стеклопластик еще долго будет востребован.

В современном автомобилестроении других областях народного хозяйства, экстерьере и интерьере различных машин слова кевлар и карбон встречаются все чаще. Эти материалы уже давно используются при производстве кокпитов для болитов Формулы-1 и кабин самолетов, корпусов и матч катеров и яхт, кузовных элементов, деталей внутренней отделки и даже рессор и карданов для автомобилей. Карбоновые тормозные диски стали непременным атрибутом гоночных, спортивных автомобилей. Кевларовые ремни и стропы безопасности прочнее обычных. Вокруг этих материалов сложился некий ореол загадочности. Что же это за чудо современной химии?

Карбон.
Карбон-каменноугольный период палеозойской эры (начало-360 млн.лет, конец-286 млн. лет назад) Но нас интересует другой карбон, а именно композитный материал. Он относится в классу углепластиков-материалов., обьединяющий в себе несколько тысяч различных рецептур. Все эти материалы роднит одно- наполнителем в них являются углеродные(графитные) частицы, чешуйки, и волокна.

Основу угле-тканей составляют нити углерода (углерод-это, к примеру, грифель карандаша). Только такие нити довольно тонкие. Сломать ее просто, но порвать ой как нелегко. Из них шьются ткани, где углеродные нити скрепляются параллельно друг друга.

смолы нужны более качественные и дорогие. Для работы с кевларом и карбоном простая полиэфирка не совсем подходит. Кроме того, чтобы полностью использовать все преимущества этих материалов, необходимо применять вакуумные технологии, термообработку, задействовать сложное оборудование, к примеру такое,как автоклав. Но игра, как говорится стоит свеч. Карбон на 40% легче стали и на 20% - алюминия. Углепластиковые детали легче и прочнее стеклопластиковых. С тех пор, как в 1981г. Джон Барнард впервые использовал карбоновое волокно при создании моноккока на McLaren MP4/1, этот материал прочно вошел в современный автоспорт и постепенно подбирается в обычным автомобилям. Но вот парадокс: автолюбители полюбили карбон не его выдающие свойства, а за оригинальный внешний вид. Мода на карбоновые накладки также пошла со спортивных автомобилей, но там они все-таки имели четкое назначение: максимум прочности при минимальном весе.

В карбоне, который идет на строительство матч и других изделий, где необходима высокая прочность, в структуре ткани явно превалируют углепластиковые волокна. Нити, их скрепляющие, практически не видны. В деталях салона углеволокно уже выгляди как ткань с различными вариациями(плетение типо "рогожа" или 3*3, 1*3 и т.д.). Эти углеткани можно выклеивать в один слой. После застывания и полировки (если необходимо).получается очень симпатичный орнамент. При работе с ним есть один сложный момент: четкий геометрический рисунок материи предполагает более внимательное и тщательное изготовление деталей, так кА на горизонтальной поверхности любое искривление будет сразу заметно.

Учитывая, что углеродные волокна черные, а нити могут быть различными, появляется простор для дизайнерской мысли. Нов настоящий момент определение под "под карбон" чаще всего характеризует черно-серую "шахматку". Пленок подобного рисунка появилось уже превеликое множесто. Но непосредственно карбон- это действительно легкий, практичный и красивый материал.

Возвращаясь конструкционному карбону, хотя чисто декоративным, учитывая характеристики, этот материал назвать довольно сложно, стоить сказать и о недостатках, а они, к сожалению, есть. Карбон имеет очень маленькое относительное удлинение. Т.е. не растягивается. Хрупкость и боязнь точечных ударов делают его в определенной мере "нежным ранимым". Для того чтобы изделие из карбона работало как надо, необходимо точно рассчитать множество параметров: толщину слоя, напраление нитей углеволокна, количество смолы и т.д.. При строительстве корпусов болитов Формулы-1 для этого используют специальные компьютерные программы. Есть еще один любопытный нюанс: если углепластик входит в непосредственный контакт с металлами, к примеру с алюминием, то возникает один побочный эффект. Графит как основной компонент углеволокна и алюминий могут образовать гальваническую пару, а если речь идет о лодках и соленой морской воде, являющейся очень хорошим электролитом, процесс корродирования металла может проходить очень быстро. По этой причине в таких местах в углепластиковую поверхность вводят нейтральные стеклопластиковые вставки.