Пултрузия — непрерывный процесс, и поэтому один из самых очевидных способов повысить производительность — увеличить скорость протяжки профиля через нагреваемую фильеру.
На первый взгляд кажется, что это просто вопрос производительности: быстрее тянем — больше метров профиля получаем за смену.
Но скорость протяжки влияет не только на выпуск продукции.
Она меняет то, где и как протекает реакция отверждения внутри профиля, а вместе с этим — и его геометрию после выхода из фильеры.
В исследовании Alexander Vedernikov и соавторов L-образные стеклопластиковые профили изготавливали при трёх скоростях: 0,2 м/мин, 0,4 м/мин и 0,6 м/мин.
После производства их геометрию наблюдали ещё 90 суток.
Авторы показали: чем выше была скорость пултрузии, тем больше становилась характерная угловая деформация профиля — spring-in.
И особенно важно: форма профиля продолжала изменяться уже после производства.
Что именно исследовали
Авторы изготавливали L-образный профиль методом пултрузии.
В качестве армирования использовались стеклянные ровинги и стеклянная ткань. В качестве матрицы — система на основе Atlac 430.
Основные параметры процесса:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Длина фильеры | 600 мм |
| Температура нагревательных плит | 145 °C |
| Скорости протяжки | 0,2 / 0,4 / 0,6 м/мин |
| Период наблюдения после изготовления | 90 суток |
Для контроля температуры внутрь профиля устанавливали термопары: на поверхности, в середине сечения и под тканью.
Геометрическую деформацию измеряли каждые 2–3 дня.
Что происходит с температурой внутри профиля
В начале фильеры нагрев идёт снаружи внутрь. Поэтому сначала температура в центральной части профиля ниже, чем ближе к нагреваемой поверхности.
Затем картина меняется. Когда начинается интенсивная реакция полимеризации, смола начинает выделять тепло. Температура в центральной части профиля становится выше, чем в наружных областях. Это связано с экзотермической реакцией отверждения.
То есть внутри фильеры происходит не просто нагрев материала от металлической формы. Сам композит выделяет тепло в процессе реакции.
Что меняется, если увеличить скорость
Авторы сравнили температурные профили при 0,2 и 0,4 м/мин.
При увеличении скорости максимум температуры, связанный с реакцией полимеризации, смещался дальше по направлению движения профиля — к концу фильеры.
Упрощённо: при меньшей скорости материал дольше находится в каждой зоне фильеры, поэтому нагрев → реакция → развитие отверждения успевают произойти раньше. При большей скорости профиль проходит тот же участок быстрее, и максимум реакции возникает позже — дальше по длине технологической линии.
Авторы связывают это смещение с увеличением протяжённости гелевой зоны композита.
И это начинает влиять уже не только на температурный профиль, но и на форму готового изделия.
По данным Vedernikov et al., Procedia Manufacturing, 2020.
Схематические кривые показывают только смещение положения температурного максимума при увеличении скорости, без точных промежуточных значений — они не считываются надёжно из источника.
Что такое spring-in
Для углового профиля после выхода из формы угол может отличаться от угла самой фильеры. Такое изменение геометрии называют spring-in.
В исследовании среди наиболее значимых механизмов его появления рассматриваются: различие коэффициентов теплового расширения матрицы и армирования, химическая усадка матрицы, взаимодействие композита с фильерой.
То есть после отверждения стеклянное армирование и полимерная матрица не изменяют размеры абсолютно одинаково. В результате формируются остаточные напряжения, а геометрия профиля может отклоняться от заданной.
Чем выше скорость, тем больше spring-in
Именно эту зависимость исследование показало особенно наглядно.
При переходе от 0,2 к 0,4 м/мин первоначальная величина spring-in была примерно на 22% больше.
При переходе от 0,2 к 0,6 м/мин — примерно на 48% больше.
Через 90 суток разница выросла:
| Сравнение | Разница spring-in через 90 суток |
|---|---|
| 0,4 против 0,2 м/мин | около +30% |
| 0,6 против 0,2 м/мин | около +53% |
Эти цифры относятся только к исследованному профилю, материалам, температурному режиму и оборудованию. Их нельзя использовать как универсальную формулу для пултрузии.
Но сам принцип важен: изменение скорости производства способно изменить геометрию готового изделия.
Профиль продолжал менять форму после выхода из фильеры
Это один из наиболее важных результатов исследования.
Spring-in был заметен уже непосредственно после производства. Но изменение геометрии на этом не закончилось.
В первые 10–15 дней деформация росла особенно заметно. Затем рост замедлялся. Примерно через 40–60 суток значения приближались к плато.
В описании результатов авторы также отмечают максимум примерно около 50 суток.
Получается последовательность: выход из фильеры → начальная деформация → изменение формы в течение недель → стабилизация.
То есть: размер профиля сразу после производства и его размер после стабилизации — не обязательно одно и то же.
По данным Vedernikov et al., 2020. Исследование L-образного профиля при конкретной системе материалов и режиме формования.
Форма кривых схематична и передаёт только характер зависимости (быстрый рост в первые недели, затем плато) без реконструкции точных числовых точек графика источника.
Почему профиль продолжает меняться после производства
Авторы связывают изменение формы во времени с двумя конкурирующими процессами.
Остаточное отверждение
После выхода профиля из фильеры реакция может быть ещё не полностью завершена. Дальнейшее отверждение сопровождается дополнительной усадкой. Поэтому spring-in может увеличиваться.
Релаксация внутренних напряжений
Часть сформировавшихся в процессе производства напряжений со временем может релаксировать. Это, наоборот, способно частично компенсировать деформацию.
Поэтому форма профиля развивается во времени, а не фиксируется мгновенно в момент выхода из фильеры.
Почему высокая скорость усиливает этот эффект
Чем быстрее движется профиль, тем меньше времени он находится в нагреваемой фильере.
Авторы отмечают: при более высокой скорости степень отверждения на выходе ниже из-за более короткого цикла.
Следовательно, после выхода остаётся больший потенциал остаточного отверждения и дальнейшей усадки.
Скорость пултрузии влияет не только на производительность, но и на историю отверждения профиля.
Для профиля, изготовленного при 0,6 м/мин, авторы отмечают примерно вдвое большее первоначальное увеличение spring-in по сравнению с профилем при 0,2 м/мин: около 0,20° против около 0,10°.
Это данные конкретного эксперимента, а не универсальная характеристика скоростей.
Значит ли это, что пултрузию нужно вести медленно?
Нет. Это был бы неправильный вывод.
Скорость пултрузии — важнейший параметр производительности процесса. Уменьшение скорости увеличивает время пребывания материала в фильере, но одновременно уменьшает выпуск продукции.
Поэтому задача состоит не в том, чтобы выбрать минимально возможную скорость.
Нужно подобрать сочетание: скорость протяжки + температурный режим + система смолы + геометрия профиля + длина фильеры + требуемая степень отверждения так, чтобы процесс одновременно обеспечивал требуемую производительность, достаточное отверждение, стабильную геометрию и попадание в допуски.
Геометрический допуск может нарушиться не сразу
Геометрия пултрузионного профиля не обязательно окончательно формируется в момент выхода из фильеры. В исследовании spring-in продолжал изменяться в течение нескольких недель.
Авторы отдельно обращают внимание на практический риск. Поскольку технологически обусловленные деформации способны развиваться во времени, профиль может соответствовать геометрическим требованиям сразу после производства, а позже выйти за пределы допуска.
В работе отмечается, что часть изделий может перестать соответствовать геометрическим требованиям уже после нескольких месяцев хранения.
Для производства это означает: контроль геометрии только на выходе из линии может быть недостаточен.
Особенно это важно для угловых профилей, элементов сборных конструкций, деталей с жёсткими требованиями к сопряжению и профилей, которые должны точно соединяться с другими элементами.
Что это означает на практике
Повышение скорости пултрузии нельзя оценивать только через показатель «метров в минуту».
Положение температурного пика; степень отверждения на выходе; протяжённость зоны реакции; остаточную усадку; начальную геометрию изделия; изменение геометрии после производства; попадание в допуски после стабилизации.
Особенно важно это при масштабировании производства.
Режим, который даёт хороший профиль на одной скорости, нельзя автоматически ускорить без проверки того, как изменится процесс отверждения.
Главное
В исследовании Vedernikov и соавторов увеличение скорости пултрузии с 0,2 до 0,4 и 0,6 м/мин смещало температурный максимум реакции дальше по технологической линии и сопровождалось увеличением spring-in L-образного профиля.
Через 90 суток разница в spring-in относительно режима 0,2 м/мин составляла примерно +30% для 0,4 м/мин и +53% для 0,6 м/мин.
При этом геометрия профиля продолжала изменяться после изготовления и стабилизировалась только спустя несколько недель.
Поэтому скорость пултрузии — это не только параметр производительности. Она является частью режима формирования самого композита и может влиять на то, какую геометрию изделие будет иметь не только на выходе из фильеры, но и спустя недели после производства.
В статье используются данные авторов по скорости протяжки, температурным профилям, положению пика экзотермической реакции, spring-in и изменению геометрии во времени. Все графики на странице — собственная переработанная визуализация Академии по данным публикации.
- Alexander Vedernikov, Fausto Tucci, Alexander Safonov, Pierpaolo Carlone, Sergey Gusev, Iskander Akhatov. Investigation on the Shape Distortions of Pultruded Profiles at Different Pulling Speed. Procedia Manufacturing 47 (2020), 1–5.
Консультация Академии по технологии производства
Эксперты Академии могут помочь оценить технологический режим, подобрать систему материалов, разобраться с отверждением, геометрическими деформациями и стабильностью профиля при увеличении производительности линии.
Получить консультацию →