Universitatea din PitestiFacultatea de Mecanica si TehnologieSpecializarea Ingineria Transporturilor si a Traficului

Tehnologii de prelucrare a maselor compozite

Studenti Murarescu valentin VELCEA STEFAN

n contextul utilizrii din ce n ce mai mari a produselor din materiale neconvenionale, lucrarea de fa i propune prezentarea ctorva aspecte referitoare la materialele compozite, o caracterizare i o analiz a comportrii acestora n timpul prelucrrii prin diferite procedee specifice acestor materiale. De asemenea, sunt subliniate ramurile industriale care ar putea asimila fabricarea i realizarea unor produse din materiale compozite. Avantajele pentru care aceste materiale cuceresc piaa de produse sunt urmtoarele: greutate sczut n comparaie cu materialele clasice, rezistena mare la uzur, coroziune, caracteristici mecanice n concordan cu necesitatea ulterioar a produsului. Costul mai ridicat al acestor materiale se justific prin precizia, calitatea produselor obinute, iar funcionarea acestora conduce la o mrire a fiabilitii, mentenanei, i dac este vorba de industria automobilelor i a aeronauticii, de un consum sczut de energie. tiina materialelor compozite a aprut din necesitatea unor studii multidisciplinare, pornind de la faptul c elaborarea acestora este complex, condiiile de operare n care aceste materiale trebuie s funcioneze sunt severe, proprietile fizice, chimice, magnetice, electrice i mecanice sunt influenate de compatibilitatea i modul de dispunere a elementelor componente. Din punct de vedere istoric, conceptul de material compozit este foarte vechi. n Egiptul antic crmizile de argil erau ntrite cu paie; la Muzeul Britanic din Londra, este expus un vas de depozitare din perioada merovingienilor 900 d.H de pe teritoriul Scoiei, realizat dintr-un material format din fibr de sticl ntrit cu o rin, ceea ce ar corespunde astzi unui compozit de tip rin epoxidic ntrit cu fibr de sticl. n secolul al XIX-lea vergelele de fier erau folosite pentru zidrie punndu-se bazele materialelor armate pentru construcii. Prima ambarcaiune din fibr de sticl a fost realizat n 1942 i de asemenea, la acel timp, acest material a fost utilizat n aeronautic i pentru componentele electrice.Primele fibre de bor i de carbon, cu rezisten mare la rupere, au aprut la sfritul anului 1960 fiind aplicate n materialele avansate folosite la componente de avion, prin 1968. Materialele compozite cu matrice metalic au fost introduse n 1970. Dupont a realizat fibrele de Kevlar (sau aramid) n 1973. De ce materialele compozite? Studiul materialelor compozite este o filozofie a proiectrii materialului ce ine seama de compoziia optim de material, pe de o parte i de proiectarea structural i de optimizare pe de alt parte, n cadrul unui proces interactiv i concomitent. tiina materialelor compozite necesit interaciuni strnse ale diferitelor discipline, cum ar fi analiza i proiectarea structural, tiina materialelor, mecanica materialelor i tehnologii de prelucrare. Scopul cercetrilor n domeniul materialelor compozite const n atingerea urmtoarelor obiective:1. Investigarea caracteristicilor de baz ale constituenilor precumi ale materialelor compozite;2. Optimizarea materialelor pentru condiiile de funcionare date;3. Dezvoltarea unor tehnologii de fabricare i studiul influenei acestora asupra proprietilor materialului;4. Dezvoltarea unor proceduri analitice de determinare a proprietilor materialului i predicia comportrii structurilor n timpul funcionarii;5. Dezvoltarea metodelor experimentale de caracterizare a materialelor, analiza tensiunilor i analiza defectelor;6. Controlul nedistructiv al integritii materialului i sigurana n funcionare;7. Aprecierea durabilitii, ciclului de via i apariia defectelor. Tehnologia materialelor compozite s-a dezvoltat foarte mult nultimii ani. Motivaia acestei preocupri este determinat de:-progresul important n tiina i tehnologia materialelor, cum ar fi:fibre, polimeri, ceramice;-cerinele industriei pentru materiale cu performan ridicat n domeniul aeronauticii, structurilor aerospaiale;-dezvoltarea unor metode numerice puternice pentru analiza structural utiliznd tehnologii computaionale, precum i dezvoltarea unei baze de calcul vaste. Acestor cerine li se adaug astzi, asigurarea calitii produselor, reproductibilitatea i capacitatea de predicie a comportrii pe durata ciclului de viata a unui produs. Utilizarea materialelor convenionale i a materialelor compozite este strns legat de dezvoltarea procedeelor de fabricaie. Procesul de prelucrare este unul dintre cele mai importante stadii n asigurarea calitii produsului finit. n acest scop, introducerea automatizrii i controlului adaptiv al proceselor de prelucrare este o necesitate din ce n ce mai stringent. Statistica pentru anii urmtori prefigureaz o continuare fructuoas a cercetrilor n acest domeniu, datorit scderii costurilor componentelor materialelor compozite, ieftinirea proceselor prin introducerea automatizrii tehnologiilor. Un alt factor determinant pentru viitoarele cercetri l constituie greutatea specific sczut a compozitelor, ce contribuie cel puin n industria automobilelor, la conservarea energiei - obiectiv prioritar al secolului nostru.Caracterizarea materialelor compozite Materialele compozite sunt materiale formate din dou sau mai multe faze la scar macroscopic a cror performan i proprieti sunt destinate a fi superioare celor ale materialelor constituente, acionnd independent. Una dintre fazele constituente este discontinu, rigid, numindu-se de "ranforsare", iar faza continu, cu rigiditate mai sczut se numete matrice. Uneori, datorit interaciunilor chimice ale altor efecte de prelucrare, apare o faz suplimentar - interfaza - la interfaa dintre ranforsare i matrice. Wiskers** - urile sunt fibre formate din monocristale filamentare, cu diametre cuprinse ntre 1 i 5m i lungimi lf 500m, foarte scurte lf 10mm sau scurte cu lf=10-25mm, ori lungi (lf>25mm), obinute din diferite materiale: sticl, carbon, carburi de siliciu, bor, safir, alumin, ceramic, metale feroase i neferoase, textile, azbest, poliamide. Roving***-ul este o configuraie a fibrelor de sticl obinut prin rsucirea tronsoanelor 1, 2, 3. Fiecare tronson poate fi constituit din 6 pn la 204 monofibre lungi de sticl, cu diametrul ntre 8 i 14m, dispuse paralel i netorsionat, unite ntre ele cu rini. Materialele care intr n structura compozitelor sunt:- mase plastice;- fibre sintetice, de sticla, de carbon, de bor, lemnoase, metalice, celulozice etc.- metale ca Ni, Co, Al, Cr, Ti, W, Ta, Zr, Mo;- celulozice;- lemn sub form de placaje, plci aglomerate.PROPRIETILE DE BAZ ALE COMPOZITELOR Structura format dintr-o matrice i fibre dispuse pe o singur direcie, se numete plac unidirecionat (UD). Aceasta structur este ortotrop avnd axele principale dispuse: longitudinal fa de fibre, normal la fibre, n planul plcii i normal la planul plcii.Structura materialelor compoziteDEFINIII FIZICE I GEOMETRICEOmogenitate - un material se numete omogen dac proprietile sale sunt aceleai n orice punct din volumul su i dac sunt independente de poziia fa de axele tensiunilor principale.Eterogenitate - un material este eterogen dac proprietile acestuia variaz de la un punct la altul sau depind de poziia punctului analizat.Izotropie - la multe materiale, proprieti precum: rigiditatea, alungirea, dilatarea termic i conductivitatea termic sunt asociate cu o direcie sau cu o ax. Un material este izotrop cnd proprietile sale sunt aceleai n toate direciile sau sunt independente de orientarea axelor de referin.Anizotropie / Ortotropie - un material este anizotrop cnd proprietile sale variaz cu direcia sau depind de orientarea axelor de referin. Dac proprietile materialului de-a lungul oricrei direcii sunt aceleai ca i cele de-a lungul direciei simetrice fa de un plan, atunci planul se numete planul de simetrie al materialului. Un material poate avea un plan, dou, trei, o infinitate sau nici un plan de simetrie n jurul unui punct. Un material fr nici un plan de simetrie se numete anizotrop. Un material cu o infinitate de plane de simetrie se numete izotrop. De o semnificaie deosebit pentru materialele compozite este ortotropia, adic materialele au cel puin trei plane de simetrie, perpendiculare ntre ele. Intersecia acestor plane definete trei axe perpendiculare ntre ele, numite axe principale ale simetriei materialului sau axele principale ale materialului.

DEZVOLTAREA MATERIALELOR COMPOZITE AVANSATE CU PREFORME TRIDIMENSIONALE TRICOTATE Dezvoltarea materialelor compozite avansate ce au la baz preforme tridimensionale tricotate include o gam larg de domenii tehnice. Forma materialelor compozite ranforsate cu tricoturi tip sandwich poate fi controlata variind structura straturilor exterioare sau dispunerea si parametrii de structura ai straturilor de legtur. Lucrarea prezint modalitile de producere a materialelor compozite ranforsate cu structuri tip sandwich realizate din fire tehnice para-aramidice (Kevlar-inox si Twaron) i fire tehnice naturale (in), ca matrice fiind utilizate rini poliesterice i epoxidice. Au fost avute n vedere tricotabilitatea firelor propuse i procesabilitatea rinilor utilizate. Mostrele au fost obinute utiliznd o instalaie de transfer a rinii sub vid (VARTM). Diferenele de procesabilitate dintre rinile epoxidice i poliesterice au fost evideniate n raport cu preformele tridimensionale tricotate.Materialele textile tehnice sunt materiale ce prezint proprieti i caracteristici superioare ce le permit s ndeplineasc funcii tehnice, la pro- ducerea acestora fiind urmrite n primul rnd caracteristicile tehnice i funcionale, cele legate de forma avnd un grad de importan redus.Materialele compozite sunt materiale formate din dou sau mai multe elemente constituente combinate la scara macroscopic i care formeaz mpreun un material nou cu proprieti superioare celor ale fiecrui element constituent luat separat. Proprietile materialelor compozite sunt influenate de: proprietile matricei utilizate; tehnologia de prelucrare; proprietile materialului de ranforsare; adeziunea ntre matrice i materialul de ranfor- sare; fracia volumic.Materialele compozite cu ranforsri textile cuprind o gam larg de preforme ce pot fi constituite de materiale neesute, esute, mpletite sau tricotate. n vederea selectrii tehnologiei optime de producere a preformelor trebuie avute n vedere att punctele tari ct i cele slabe ale fiecrei tehnologii. Acestea au avantajul raportului mas/rezisten superior, reducerea timpului de realizare, eliminarea deeurilor rezultate n urma procesului de producie i prelucrare, un control mai bun al formei finale a produsului i o calitate superioar. Pentru obinerea structurilor compozite se utilizeaz diferite metode: nglobarea materialului de ranforsare (material tricotat) ntr-o matrice, ce poate fi reprezentat fie de o substana macromoleculara fie de o soluie sau suspensie coloidala, cu proprieti de coagulare; consolidarea materialului de baza cu ajutorul unor straturi de ntrire, rezultnd un material laminat.

TRICOTURI SANDWICH CONECTATE PRIN STRATURI DE LEGTURPrincipii de obinere Preformele tricotate ce au la baz structuri tip sandwich se preteaz a fi utilizate n domenii n care se cere scderea masei produsului (industria con- structoare de maini, industria aeronautic). Pe lng raportul masa/rezisten mbuntit preformele tri- cotate prezint coeficieni de traciune, ncovoiere i impact ridicai. Un tricot stratificat (sandwich) este o structur tridimensional, compus din dou straturi exterioare tricotate, independente ntre ele, legate prin fire sau prin straturi tricotate.Legarea tricoturilor sandwich prin straturi trico- tate ofer avantaje n ce privete obinerea de forme complexe i creterea grosimii ansamblului. Pro- ducerea acestor tricoturi necesit condiii speciale referitoare la tragere, singura tehnologie care le n- deplinete fiind cea a mainilor rectilinii electronice de tricotat pentru tricoturi din bttur . Caracterizarea tricoturilor sandwich cu legare prin straturi tricotate, are n vedere tipul straturilor de legtur i modul de dispunere al acestora: cu doua sau cu trei straturi de legtur. Staionarea impus ochiurilor din tricoturile exterioare creeaz tensiuni extrem de puternice, mpiedicnd desfurarea normal a procesului de tricotare. Experiena practic a artat c este prefe- rabil s se lucreze pe ace selectate 1:1 acele impare sunt folosite pentru tricoturile exterioare i acele pare pentru stratul de legtur. Tensiunea introdus prin staionarea tricoturilor independente este di- minuat i controlabil prin tragerea concentrat.

PRODUCEREA MATERIALELOR COMPOZITE AVANSATE CU PREFORME TRIDIMENSIONALE TRICOTATECa principiu general, materialele compozite sunt produse prin introducerea matricei (rinii) n siste- mul de ranforsare, urmat de reacia de polimerizare a acesteia, numit curare, reacie prin care se formeaz legtura ntre cele dou componente. Materialele compozite avute n vedere au fost produse utiliznd rina epoxidic tip EPICURE 04908 i rina poliesterica tip DISTRITRON 3501S ca matrice. Ca modalitate de injecie a rinii a fost utilizata tehnologia VARTM. Avnd n vedere geometria tridimensionala a preformei tricotate tip sandwich utilizate a fost necesar folosirea unor matrie interioare ce au fost ndeprtate ulterior. Tricoturile tehnice prezint un potenial ridicat din punct de vedere al modelrii tridimensionale a formelor complexe n comparaie cu alte materiale textile. Au fost obinute materialele compozite ce folosesc tricoturi tip sandwich cu celula interioar n form de U ca material de ranforsare i rini epoxidice i poliesterice ca matrice.Procedee de prelucrare a materialelor compozite Procedeele de prelucrare a materialelor compozite difer n funcie de tipul compozitului. Astfel, pentru compozitele de tip sandwich se disting urmtoarele procese:FORMAREA PRIN CONTACT Straturile de matrice i de fibre de ranforsare sunt depuse ntr-o matri care se poate realiza din metal, rin sau sticl, iar dup fiecare depunere se asigur presarea i aderarea stratului precedent fa de urmtorul cu o rol de contact. Acest procedeu este utilizat n special pentru realizarea ambarcaiunilor de dimensiuni mici. Compactarea asigur i eliminarea aerului, iar durata procesului de ntrire variaz de la cteva minute la cteva ore, n funcie de materialele depuse. Productivitatea acetui proces este de 2-4 piese pe zi.FORMAREA N MATRI Se realizeaz presarea straturilor de matrice i de elemente de ranforsare ntre o matri i o contra-matri, acesta exercitnd o presiune de 1-2 bar. Pentru ca structura s devin compact, se realizeaz polimerizarea la cald. Acest procedeu se aplic la serii medii de produse, obinndu-se circa 20 de piese pe zi. Procesul de formare n matri este utilizat la construcia pieselor pentru industria automobilelor i aeronautic.FORMAREA SUB VID Se utilizeaz matria deschis pe care se depun straturi de materiale: matrice i element de ntrire (ranforsare). Dup depunerea straturilor se aplic o folie elastic, iar n interstiiul dintre folie i matria se creeaz vid. Are loc compactarea piesei, eliminarea aerului, apoi ansamblul este supus polimerizrii n etuva sau n autoclav cu suprapresiune (7 bar n cazul carbon/epoxy, pentru obinerea celei mai bune rezistene mecanice). Aplicaii la elementele de structur aeronautic, cu frecvena de 2-4 piese pe zi.FORMAREA PRIN INJECIE A RINII Procesul const n depunerea pe suprafaa deschis a matriei a elementelor de ranforsare (de tip fibr sau estur) i se injecteaz rin (rina poliesteric sau fenolic). Presiunea de formare este sczut. Procedeul are o frecven de aproximativ 30 piese pe zi. Se aplic la piese de caroserie auto, iar costul procedeului este ridicat).FORMAREA PRIN CENTRIFUGARE Acest procedeu este utilizat pentru fabricarea tuburilor. El permite o repartiie omogen a rinii i o calitate foarte bun a suprafeelor interne a tuburilor. Lungimea tronsonului realizat este limitat de celula de formare. Frecvena depinde de diametrul i lungimea pieselor. Tot n aceast categorie de formare continu, se poate include i rularea filamentar, pentru obinerea tuburilor de lungime mare, cu frecvene de pn la 500 kg de compozit/zi.

Ingineria materialelor compozite polimerice si procese de prelucrare a acestora

Principalele tipuri de compozite polimerice din subgrupa sistemelor poroase impregnate cu polimeriFilmele aplicate pe suport i laminatele se ncadreaz ntr-o categorie unic de materiale compozite polimerice cunoscut sub numele de materiale stratificate. n aceast categorie se includ: materiale plastice metalizate; materiale stratificate cu suport (hrtie, folii metalice, celofan,esturi etc.); materiale plastice constituite din mai multe straturi de polimeri(folii, plci, profile).

Principalele tipuri de compozite macroscopice polimerice

Materiale plastice metalizateAceste materiale se impun din ce n ce mai mult pe plan internaional datorit, n principal, avantajelor conferite de prezena suportului de material plastic: materialele plastice sunt mai uoare dect metalele, fapt care conduce la creterea eficienei funcionale a produsului; preurile pe unitatea de volum pentru materialele plastice sunt de 2 pn la 10 ori mai mici dect cele ale metalelor, astfel nct, chiar dac reperele din material plastic trebuie s fie mai groase pentru obinerea unei rigiditi echivalente cu cea a metalelor, tot este mai avantajoas utilizarea acestora; materialele plastice pot fi placate direct ca urmare a faptului c suprafeele produselor prezint un grad avansat de finisare chiar din procesul de formare; materialele plastice utilizate ca suport pentru placri au rezistena chimic superioar metalelor, evitndu-se, astfel, pierderile prin coroziune,precum i contaminarea soluiilor utilizate pentru placare; cheltuielile globale ale procesului de placare sunt sensibil inferioare n cazul utilizrii materialelor plastice n locul metalelor.Prin placarea materialelor plastice cu metale se amelioreaz sensibil i unele caracteristici ale acestora. n general, se constat o cretere a rigiditii, duritii, rezistenei la flacr, la radiaii ultraviolete i a rezistenei fa de solveni.Cu toate c pe plan mondial placrile de materiale plastice cu metale nu se utilizeaz nc pe scar larg , n SUA i rile Europei de Vest acest procedeu este destul de rspndit. n aceste ri, anual, se placheaz prin electrodepunere i evaporare sub vacuum milioane de m2 de ABS i polipropilen. n afara acestor dou tipuri de materiale plastice pot fi metalizai i ali polimeri ca polifenilenoxid modificat (Noryl), poliarileter (Arylon),, policarbonai (Lexan, Makrolan), polisulfone (Ucardel), poliacetai (Derlin), poliamide armate (Vydyne) etc.Metalizarea polipropilenei prezint o serie de avantaje chiar fa de ABS, i anume: finisarea suprafeei este excelent, absorbia de suprafa este inferioar ABS-ului, produsul prezint rezizten chimic superioar, aderena metalului la suprafaa polimerului este foarte bun. Dar PP metalizat prezint i o serie de dezavantaje: coeficient de dilatare ridicat, deformabilitate, rezisten sczut la ocuri mecanice.Materialele plastice metalizate au numeroase domenii de utilizare: construcia de autovehicole (grile de radiator, supori de rame de fixare a luminilor de poziie, borduri interioare etc.), componente de fixare n instalaiile sanitare, piese radio i TV, obiecte de uz casnic etc.n ultimii ani de un interes deosebit s-au bucurat foliile metalizate utilizate, n special, n producia de ambalaje. Se pot produce folii metalizate din polietilentereftalat (PETP), poliamide (PA), polietilen (PE) i polipropilen (PP).Materiale stratificate cu suportn funcie de natura i structura stratului de material plastic i de natura materialului suport se distinge o gam larg de astfel de materiale:a) suport acoperit pe o singur fa cu un strat de material plastic;

b) suport acoperit pe o singur fa cu mai multe straturi de material plastic;c) suport acoperit pe ambele fee cu straturi de material plastic;

d) un strat de material plastic nglobat ntre dou straturi de material suport.Stratul de material plastic este alctuit din una sau mai multe pelicule de amestecuri pe baz de polimeri. n legtur cu natura chimic a polimerilor ce stau la baza amestecurilor pentru stratificare se poate spune c este de o asemenea diversitate, nct orice ncercare de clasificare devine extrem de dificil. Se pot utiliza: PE, PP, copolimer etilen-acetat de vinil (EVA), etilen-alcool vinilic, dar i PVC, policlorur de viniliden, PA, poliuretani (PU).Cele mai cunoscute procedee de stratificare cu materiale plastice sunt : cu cilindru de presiune; cu cilindru prin contact; cu cilindri prin transfer; cu cilindri gravai; cu cilindru invers; cu perdea; cu raclu; cu baghete; cu raclu de aer; cu lam flexibil; prin pulverizare; prin periere; prin calandrare; prin extrudere.Materiale stratificate constituite din mai multe straturi de material plasticn aceast grup se includ, n primul rnd, foliile stratificate, plcile stratificate i unele tipuri de profile.Pentru obinerea de folii stratificate (cu referire numai la cele realizate din mai multe straturi de material plastic) pot fi luate n considerare urmtoarele procedee: stratificarea prin adeziune; coextruderea.Pentru realizarea unor folii stratificate prin depunerea de straturi de material plastic pe un suport tot din material plastic se pot utiliza toate procedeele menionate la fabricarea materialelor stratificate cu suport. Dintre aceste procedee, ns, cea mai larg utilizare o au stratificarea prin calandrare i prin extrudere.Folosirea coextruderii la fabricarea foliilor stratificate prezint urmtoarele avantaje: asigur obinerea foliilor stratificate direct, fr a mai fi necesare alte operaii suplimentare; materialele plastice ale cror topituri au o stabilitate redus i nu pot fi formate singure n filme, pot fi prelucrate fr probleme, prin coextrudere; prin schimbarea naturii straturilor, foliile coextruse pot fi utilizaten numeroase domenii; grosimea filmelor poate fi reglat prin modificarea raportului de suflare.Pentru fabricarea de evi stratificate se folosesc instalaii obinuite de extrudere, prevzute cu dou sau mai multe extrudere i un cap de profilare de construcie special.Dac se face o analiz de ansamblu asupra domeniilor de utilizare a foliilor stratificate se constat c, cel mai adesea, ele se utilizeaz n industria ambalajelor pentru: ambalarea produselor lichide i sub form de past; ambalarea produselor sub form de pulbere; ambalarea produselor sub vid; ambalarea aseptic; sterilizarea la cald a produselor din ambalaj.

Tricoturile tehnice prezint un potenial ridicat din punct de vedere al modelrii tridimensionale a formelor complexe n comparaie cu alte materiale textile. Au fost obinute materialele compozite ce folosesc tricoturi tip sandwich cu celula interioar n form de U ca material de ranforsare i rini epoxidice i poliesterice ca matrice. Infuzia a fost realizat utiliznd tehnica VARTM. Cele mai bune rezultate au fost obinute n cazul materialelor ce au n componen fire para-aramidice (Kevlar-inox i Twaron) i rina epoxidic.

Bibliografie1. Feldman, D., Rusu, M., Tehnologii de prelucrare a polimerilor.Prelucrarea materialelor plastice, I.P. Iai, Rotaprint, 1977,2. Rusu, M., Contract nr. 693/1989 - Studiu documentar referitor la profile i plci compozite i tehnologiile lor de fabricaie,3. Ciobanu, L., (2003). Contributions to the development and production of technical knitted fabrics, Ph. D. thesis, Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi Iai,4. Araujo, M. D., Hong, H.,Fangueiro, R., Ciobanu, O., Ciobanu, L., (2001). Developments in Weft Knitting Technical Textiles, Proceedings of Technitex 2001 Designing Textiles for technical applications,5. D.Munteanu, M.Toader i M.Leiber Materiale Plastice, 1976,6. T.Stern, A.Teishev i G.Marom Composites Sci.Technol., 1997.