Разработка газолазерной головки для резки полимерных композиционных материалов

Полимерные композиционные материалы: основные типы

Композиционные материалы (композиты) [1] - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы - металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Полимерные композиционные материалы

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

Стеклопластики

Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей - куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось - она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики - достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Углепластики

Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление - 220°С, карбонизация - 1000-1500°С и графитизация - 1800-3000°С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков - чаще всего - термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики - очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы - наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000°С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000°С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

Боропластики

Композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Органопластики

Композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже - природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40-70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров - полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. - варьируется в значительно больших пределах - от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Полимеры, наполненные порошками

Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола - вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал - бакелит - приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя - пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это - ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал.

Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители - древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Текстолиты

Слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов - покрытия для кухонных столов - трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие - на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон - хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Современное состояние рынка лазерной техники

Современный рынок [2] лазерной техник исключительно многообразен и по используемому оборудованию, и по технологиям его использования, и по отраслям промышленности, в которых это оборудование применяется.

Современная литература, затрагивающая вопросы лазерной техники и технологии, перешла из разряда научной или научно-технической (как это было в 70-80 годы прошлого века) в разряд производственно-рекламной. Такое изменение произошло в связи с тем, что на сегодняшний момент найдены решения основных научно-технических проблем, связанных с производством конкретных видов лазерных систем, и есть возможность достаточно четко определить области применения лазерного оборудования определенного типа и мощности.

Такого рода определенность дает возможность потребителю выбрать оборудование, которое бы удовлетворяло поставленным требованиям. Для этого необходимо определиться с количественными и качественными показателями технологического процесса, ориентированного на применение лазерной техники. Под показателями технологического процесса обычно понимают способность оборудования качественно проводить требуемую операцию за определенное время. Используя показатели технологического процесса можно, с достаточной точностью, определить три основные параметра требуемой лазерной установки:

. Мощность лазерного излучения;

. Модовый состав лазерного излучения (данный параметр определяет «качество» излучения, т.е. способность получить максимальную плотность мощности на обрабатываемом изделии);

. Динамические свойства, т.е. способность достаточно быстро регулировать мощность лазерного излучения во времени.

В выбранном диапазоне параметров различные формы предлагают несколько современных лазерных систем. Эти системы в каждом сегменте рынка, отличаются незначительными конструктивными особенностями и наличием дополнительных, в основном сервисных функций. В результате и цены различных производителей, за исключением российских, отличаются незначительно (+-30%). Таким образом, на рынке лазерной техники сложилась такая ситуация, когда основными вопросами, которые сейчас интересуют как потребителей, так и производителей ЛТ являются экономические вопросы. К этой группе вопросов относятся:

. Технические возможности и стоимость ЛО,

. Надежность и удобства эксплуатации оборудования,

. Эксплуатационные расходы.

Как показывает исследование различных иностранных фирм, рынок ЛТ - быстро развивающийся рынок, объем продаж на котором в 2004 году практически достиг 7 млрд $.

Рисунок 1 Динамика роста продаж лазерного оборудования в различных регионах мира [2]

Развитие этого рынка происходит практически во всех странах мира, не исключая и России. Однако в приведенной диаграмме не указана из-за слишком малой доли. Приблизительно 0,5 % лазерной техники, продаваемой в ней. Правда в эти данные не вошли системы, которые производятся и продаются в нашей стране, а также бывшее в употреблении и восстановленное лазерное оборудование, которое занимает значительную часть нашего рынка.

Как видно из данных, приведенных на Рисунке 2,

основными технологическими применениями ЛТ является резка и сварка, а основными потребителями подобной техники - микроэлектроника, мелкотоварное производство и обработка металла.

Рисунок 2 Продажа оборудования для основных областей применения лазерных установок млрд $ [2]

Основную часть мирового рынка ( в стоимостном выражении) занимают CO2 лазеры Р>500Вт.

Причем эти тенденции характерны практически для всех промышленно развитых стран мира. [2]

. диодные

. CO2<500Вт

. CO2>500Вт

. эксимерные

. непрерывные YAG>100Вт

. непрерывные YAG<100Вт

Доминирование на рынке мощных CO2-лазеров связано с двумя их главными преимуществами над твердотельными YAG лазерными системами, которые в настоящее время могут давать примерно такие же значительные мощности излучения (по предварительному заказу можно приобрести YAG лазерную систему мощностью до 5КВт). Эти преимущества заключаются в высоком КПД, CO2-лазеров и в высоком качестве излучения, которое генерируют эти системы. Из-за высокого качества излучения CO2-лазера оказываются практически вне конкуренции в областях рынка, связанных с резкой различных металлов. К сожалению, CO2-лазерные системы имеют большие массогабаритные показатели, требуют высокой квалификации обслуживающего персонала и высоких эксплуатационных расходов. Эти недостатки приводят к тому, что на рыке мощной лазерной техники все большее место занимают небольшие по габаритам и достаточно простые в обслуживании YAG лазерные системы. Особенно велика роль подобных систем в технологиях сварки и термообработки.

Лазерная техника приобретается, в основном, в составе целого комплекса оборудования, которое позволяет проводить требуемый технологический процесс. Данное оборудование обеспечивает высокую точность транспортировки лазерного излучения до обрабатываемого изделия (включая получение требуемой плотности мощности на обрабатываемой поверхности), подачу в зону обработки требуемых по технологии газов, защиту элементов оптического тракта и т.д.

Главными отличиями рынка лазерной техники в России от мировых тенденций является присутствие на этом рынке большого количества бывшего в употреблении и восстановленного оборудования, покупка не всего комплекса оборудования, а отдельно лазерных систем, которые затем приспосабливаются для требуемых технологических операций.

Актуальность

В связи с тем, что полимерные композиты обладают рядом преимуществ по сравнению с другими видами конструкционных материалов - возможность управления свойствами ПКМ путем изменения состава и условий получения; сравнительная легкость переработки и низкая плотность, в последнее время все чаще ПКМ используют в различных областях техники.

Лазерное излучение считают наиболее удобным способом обработки ПКМ, поскольку оно исключает проблемы, возникающие при обработке механическими способами (анизотропия свойств, экологические проблемы). Лазерная обработка может использоваться бесконтактно, она дает возможность автоматизации процесса и наиболее точна.

Сфокусированное лазерное излучение, [4] обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать узкие разрезы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой степенью точности, в том числе и легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным пучком позволяет осуществить лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.

При газолазерной резке [3] металлов различают стационарный характер разрушения, когда жидкая ванна расплава существует по всей длине канала реза, и нестационарный, характеризуемый периодическим выкосом расплавленного металла из зоны обработки.

Стационарный механизм разрушения достигается в том случае, когда скорости плавления металла в направлении реза и удаления расплавленного металла равны в каждом сечении канала. При скоростях газолазерной резки металлов меньше стационарных имеет место не стационарный, т.е. неустановившийся характер разрушения.

Производительность и качество газолазерной резки металлов определяются объемом ванны расплава в канале реза, поэтому расчетная модель описывает образование и течение расплава в канале. Глубина ванны расплава в канале реза не зависит от времени. Толщина расплава на передней стенке канала реза зависит от распределения поглощенной энергии лазерного излучения и выделяемой по поверхности ванны теплоты экзотермической реакции, газодинамического воздействия, толщины и свойств металла.

Нестационарный механизм разрушения характеризуется периодическим образованием и удалением ванны расплава из канала реза. Нестационарный механизм разрушения имеет место тогда, когда скорость разрушения металла в направлении предполагаемого реза выше скорости обработки. Качество обработки в данном случае определяется толщиной слоя разрушенного металла в поперечном направлении относительно скорости резки, а следовательно, временем образования и удаления ванны расплава из канала реза.

Итак, необходимо выбирать режим лазерной обработки (непрерывный или периодический). В некоторых случаях для резки материалов желательно применение импульсно-периодического излучения, обеспечивающего меньшую зону термического влияния и режим испарения с высоким качеством кромок реза, резка большинства материалов излучением непрерывного CO2-лазера также осуществляется в режиме испарения и по сравнению с импульсно-периодическим режимом позволяет достичь значительно более высоких скоростей обработки. Это достоинство процесса также делает его конкурентоспособным с методами механической резки.

При раскрое на малых скоростях резки используется импульсно-периодическое излучение. [5] Его использование характерно для участков криволинейного контура с большой кривизной. Итак, для лазерной резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных , волоконных лазеров и газовых CO2-лазеров , работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок, стоимость лазерного оборудования для резки ещё достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к её снижению. В связи с этим процесс лазерной резки становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

Лазерная резка [6] осуществляется путём сквозного прожига листовых металлов лучом лазера. Такая технология имеет ряд очевидных преимуществ перед многими другими способами раскроя:

· Отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;

· Обработке поддаются материалы из твердых сплавов;

· Возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали;

· При выпуске небольших партий продукции целесообразнее провести лазерный раскрой материала, чем изготавливать для этого дорогостоящие пресс-формы или формы для литья;

· Для автоматического раскроя материала достаточно подготовить файл рисунка в любой чертежной программе и перенести файл на компьютер установки, которая выдержит погрешности в очень малых величинах;

Цель работы

- разработка газолазерной головки для резки полимерных композиционных материалов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи

:

· Анализ имеющихся на рынке технологических головок

· Расчет оптических систем

· Разработка конструкции газолазерной головки

Другие стьтьи в тему

Разработка узкополосного частотно-модулированного приемника
Радиосистемы различного назначения, от простейших радиотелефонов до компьютерных радиосетей, пользуются всё большим успехом у пользователей во всём мире. После нескольких десятилетий развития теории и техники радиосистем значительно выросли скорость и качество коммуникационных услуг п ...

Расчет выпрямителя напряжения
Выбрать схему выпрямителя источника питания, начертить ее, определить требования к изделиям, входящим в его состав, а также рассчитать данные для проектирования трансформатора. Источник питания работает от сети с напряжением, U1, с частотой, fс, изменения напряжения возможны в пр ...

Разделы

Радиоэлектроника и телекоммуникации © 2018 : www.techelements.ru