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.
Каталог статей
