А.В. Веденецкий Главный технолог по композитному производству ОАО «СНСЗ»

М.Н. Бирюкова Начальник отдела композитных технологий ОАО «СНСЗ»

А.Ю. Софронов Начальник САПР ОАО «СНСЗ»

Средне-Невский судостроительный завод был основан в 1912 г. как Усть-Ижорская верфь для постройки стальных судов. В 1965 г. одним из первых в России он приступил к строительству стеклопластиковых кораблей для ВМФ России и на экспорт Несмотря на трудности 90-х, предприятие не только сумело сохранить мощности и кадры, позволяющие строить корабли нового поколения, но и глубоко модернизировать технологию композитного производства. Богатый опыткомпозитного судостроения был творчески переосмыслен силами сотрудников ОАО «СНСЗ» и внедрен в жизнь в виде новой, уникальной технологии формирования самых больших в мире монолитных композитных корпусов длиной около 80 метров.Начало освоению и внедрению новой технологии формования на ОАО «СНСЗ» было положено в 2002 году, когда ВМФ России выдал заказ на строительство корабля проекта 12700. Строительство корабля шло медленно, поскольку корпуса кораблей такого размера никогда ранее не строились по такой технологии из-за высокой сложности формирования с необходимой точностью и равномерностью распределения конструкционных материалов.Корабль проекта 12700 ( рисунок 1.) спроектирован в ОАО «ЦМКБ «Алмаз», имеет водоизмещение около 800 тонн и длину порядка 80 метров. Корабль изготавливается полностью из композиционных материалов для снижения его физических полей, веса, повышения взрывостойкости и увеличения срока службы.

Для выполнения этой задачи коллектив завода провел большую работу по модернизации производственных мощностей. В 2004 году завод был включен в Федеральную целевую программу «Развитие оборонно-промышленного комплекса», благодаря чему получил большую финансовую поддержку для реконструкции основных фондов. Также завод вошел и в Федеральную целевую программу «Научно-технологическая база».      Ключевой технологией, внедренной в рамках модернизации, является формирование самых крупных в мире корпусов при помощи вакуумной инфузии. Вакуумная инфузия – это технология, при которой связующее (смола) вводится в сформированный по форме корпуса в матрице стеклопакет из нескольких слоев спрессованной  армирующей стеклоткани различных плетений с помощью вакуума. Метод вакуумной инфузии позволил сократить долю ручного труда и, следовательно, уменьшил влияние человеческого фактора, что привело к повышению качества изготавливаемых конструкций и изделий из композитных материалов при существенном уменьшении количества вредных выбросов и улучшении экологии производства.      Для формирования корпуса  корабелы ОАО «СНСЗ» создали уникальную, самую большую  в мире матрицу, точно повторяющую форму корпуса корабля.

       Одним из самых важных вопросов является технология выкладки армирующей стеклоткани в матрицу которая зависит от толщины ткани, её поверхностной плотности, типа плетения и от других параметров. Трудности, возникающие при укладке ткани, существенно возрастают, если матрица имеет такую сложную форму, как обводы корабля. Техническим управлением ОАО «СНСЗ» была разработана технология компьютерного 3D-моделирования укладки армирующей стеклоткани в матрицу. В рамках этой технологии внедрено современное программное обеспечение позволяющее осуществлять проектирование, автоматизированный раскрой и выкладку армирующих материалов, симуляцию и разработку стратегии процесса вакуумной инфузии и оценку прочностных характеристик материала и конструкций из композитных материалов. При помощи этой технологии точно рассчитывается необходимое количество стеклоткани и связующего, производится  раскрой стеклоткани, наиболее эффективно распределяются слои стеклоткани и обеспечивается ее  максимально возможное содержание в каждой точке матрицы.В рамках модернизации действующего стеклопластикового производства ОАО «СНСЗ» было  закуплено современное оборудование для высокоточного автоматизированного раскроя стеклоткани за счет чего обеспечивается значительная ее экономия.После компьютерного 3D-моделирования, нарезки стеклоткани ее выкладки в матрицу  в несколько слоев, начинается непосредственно процесс вакуумной инфузии при котором в сформированный «стеклопакет», находящийся под вакуумом по системе трубок подается приготовленное связующее.. Одной из задач при разработке и изготовлении данных корпусных конструкций вакуумной инфузией становится их конструктивная оптимизация,целью которой является снижение веса и стоимости используемых

материалов, повышение физико-механических характеристик, уменьшение трудоемкости, а также увеличение производительности.Однако, при внедрении данной технологии были встречены следующие, на первый взгляд не преодолимые трудности, ставившие реализацию проекта под вопрос: герметизация металлической матрицы, создание стабильно-высокого вакуума по всей площади поверхности оснастки, преодоление гидростатического давления при высоте борта 8 метров,  а также приготовление связующего больших объемов. 

При серии опытов была выявлена проблема получения стабильных  прочностных характеристик за счет высокой пористости стеклопластика.  Одной из характеристик, которая оказывает влияние на механические свойства стеклопластиков, является его пористость.Во время инфузии, пустоты в материале могут образовываться из-за локальной разгерметизации оснастки, усиления проницаемости во фронте потока смолы, утечки летучих компонентов в смоле, захвата из воздуха газовых пузырьков при дозации компонентов и перемешивании связующего, а также по окончании процесса инфузии — в результате усадки смолы.

Стало ясно, что пористость критически влияет на физико-механические характеристики стеклопластика. Одна из проблем появления пористости является не дегазированное связующее.  Поднялся острый вопрос о необходимости дегазации связующего больших объемов. [Дегазация жидкости — процесс удаления нежелательных или всех растворённых газов из какой либо жидкости.]

   С точки зрения физики процесс выглядит так: растворимость газов снижается при уменьшении давления (закон Генри) и в абсолютном вакууме растворимость газов становится равна нулю. Так, если давление уменьшается в определенный момент, смола станет более насыщенной и газ должен выйти из раствора. Растворенный газ рассеивается в виде молекул, а не в виде пузырей. Таким образом, газ будет исходить только из раствора, если пузырьки или ядра пузырей уже присутствуют в смоле. На самом деле, когда давление понижается, пузыри, которые были взбиты при смешивании смолы с компонентами, будут увеличиваться в размерах (Закон Газа). С увеличением размеров пузырей их скорость возрастает, что приводит к вспениванию смолы, предполагая, что смола дегазирована. На самом деле, в смоле в основном произошло избавление от пузырей. Некоторые частицы из растворенного газа действительно диффундируют в эти растущие пузырьки, но при добавлении компонентов катализатора и инициатора возможен захват воздуха из открытого пространства или в результате заливки смолы в другой контейнер. Если смола дегазирована под вакуумом, но впоследствии при перемешивании добавлен воздух, стандартная процедура дегазации не вызовет каких-либо изменений в смоле.Необходимо отметить, что стандартная дегазация весьма сомнительна, если она проводится, просто посредствам уменьшения давления. Была предложена дегазация смолы с помощью высокого вакуума в сочетании с перемешиванием, что позволило снизить количество растворенного газа в смоле. Это можно объяснить тем, что при перемешивании происходит испарение стирола, который в свою очередь выводит газ из раствора. Использование дегазированной смолы приводит к увеличению растворимости захваченного газа в армирующих волокнах.Таким образом, технические специалисты ОАО «СНСЗ» пришли к выводу о необходимости специального оборудования приготовления и подачи связующего замкнутого цикла с большой производительностью. После проведения переговоров с немецкой фирмой 2КМ, специализирующейся на изготовлении специального оборудования, было принято решение об изготовлении под заказ по Техническому заданию специалистов ОАО «СНСЗ» оборудования с непрерывным процессом дегазации, дозацией и смешением компонентов и подачей связующего в матрицу, исключив, таким образом, попадание воздуха в формируемую конструкцию при смешении компонентов.

 Данное оборудование позволило исключить «человеческий фактор» при дозировании всех компонентов, производить подготовку связующего в закрытых емкостях, тем самым исключив попадания вредных летучих веществ в окружающую среду и самое главное: подавать связующее с уровня пола в оснастку корпуса, преодолев гидростатическое давление, так как высота борта обшивки корпуса составляет порядка 8 метров.     Опыт применения вакуумной инфузии в сочетании с дегазацией и перемешиванием показывает, что композиты, изготовленные данным методом, обладают высоким качеством с высокой долей объемного армирования и низкой долей воздушных включений, значительно меньшими изменениями толщины материала по площади конструкции. Высокое значение объемного армирования обеспечивает более высокие физико-механические характеристики композита, что может привести к  уменьшению расчетной толщины материала и, как следствие, снижению трудоемкости и материалоемкости конструкции в целом. Используя вакуумную технологию, особенно в комбинации с высокоэффективными смолами ,армирующими материалами и инновационными технологическими процессами можно обеспечить создание конструкций меньшей массы с лучшими эксплуатационными характеристиками и меньшей стоимостью изготовления и обслуживания конструкций.

В настоящее время ОАО «СНСЗ» современное, динамично развивающееся предприятие.  На заводе внедрены  инновационные технологии строительства кораблей и судов из стеклопластика с габаритами корпуса, не имеющими аналогов в мире. Для этого было разработано и создано уникальное оборудование и программное обеспечение. Продукция ОАО «СНСЗ» имеет отличные перспективы на внутреннем и на мировом рынке и активно туда продвигается. Отношения с заказчиками выстраиваются на принципах максимального удовлетворения их требований, установления долгосрочных, честных и партнерских отношений, поставки качественной и надежной продукции, строгого соблюдения сроков поставки.