Композиты в ажуре: как в Троицке плетут углеволоконную паутину

На Форуме будущих технологий многих заинтересовал ажурный многогранник из углеволокна на стенде «Росатома». Где такой делают и как? Мы все узнали: это изделие Троицкого кранового завода (ТКЗ), потенциального партнера госкорпорации, получено методом пространственной стержневой намотки.

Для ТКЗ, одного из крупнейших в России производителей грузоподъемного оборудования, композиты — ​новое направление бизнеса, рассказывает главный технолог по композитным материалам завода Александр Безруков. Для позиционирования и развития направления придумали бренд «Монокрафт».

В Тверской области, недалеко от Дубны, в цехе площадью около 1,5 тыс. м2 недавно установили роботизированную линию намотки. Идет пусконаладка оборудования и пробное изготовление изделий методом пространственной стержневой намотки — ​впервые в стране. Эти мощности понадобились, чтобы выполнить опытно-конструкторские работы для концерна «Океанприбор» по заказу Минпромторга и изготовить телескопические стрелы.

Не из тканей, а из жгутов

Композитные изделия чаще всего изготавливают из угле- или стеклотканей. Их раскраивают и укладывают в форму, затем пропитывают смолой и отверждают. В пространственной стержневой намотке используют не ткани, а жгуты — ​ровинги. Из них, экономно расходуя дорогой композит, плетут крупногабаритные изделия, способные вынести большую нагрузку.

Как это устроено. На вал вращения станка с числовым программным управлением устанавливают каркасные ребра с выемками по внешнему краю, через выемки подается пропитанный смолой ровинг. Схема, в какой последовательности на какое ребро подавать, заложена в компьютере. Программу пишут инженер-проектировщик и программист. Все похоже на намотку нити на катушку. Только на «катушке», как на грифе штанги, через определенные промежутки установлены «блины» сложной формы. После термообработки и отверждения конструкции вал с ребрами извлекают и изделие отправляют клиенту.

Четыре основных преимущества

Изготовленные методом пространственной стержневой намотки изделия могут конкурировать и со слоистыми композитными, и с металлоконструкциями, утверждает Александр Безруков.

Первое преимущество — ​более широкие возможности технологии. Каркасные ребра просто менять, и изготовить их быстрее, чем форму для тканей. Слоистые композиты сложнее укладывать, занимаются этим люди. Пространственная стержневая намотка роботизирована, влияние ошибки человека минимальное.

Второй плюс — ​меньшая материалоемкость. Из дорогого композита делают только каркас, который можно покрыть более дешевым материалом. Каркас обеспечит форму и прочность, покрытие — ​целостность и внешний вид. Александр Безруков считает, что, например, в автомобилях композитный каркас надежнее, чем корпус, сбережет водителя и пассажиров при аварии. «Что легче порвать — ​ткань или веревку? — ​спрашивает он. — ​Наши ровинги выдерживают до 2 тыс. МПа на растяжение. То есть, чтобы порвать один жгут, нужно потратить колоссальную энергию».

Третье преимущество — ​меньший вес при сопоставимых прочностных характеристиках и проектных нагрузках, что важно при монтаже и перевозке.

Ну и наконец, коррозионная и морозостойкость композитов в морской воде или арктическом климате в разы выше, чем у металлоконструкций.

От крана до арт-объекта

Самая близкая ТКЗ область применения композитных каркасных изделий — ​стреловые и мачтовые конструкции, так как сквозь ферму легко проходит воздух и морское течение (если придется работать под водой). Примеры — ​судовой палубный кран, вышка сотовой связи. Во-первых, их не надо красить (композит не подвержен коррозии), во‑вторых, благодаря малой массе их можно перевозить на легковом автомобиле, грузить, разгружать и устанавливать в одиночку или вдвоем. Еще и композитные лесенки можно намотать, чтобы персоналу удобно было лезть на вышки. Такой заказ обсуждала с ТКЗ одна телеком-компания. Первый экземпляр готов, второй делают с учетом замечаний.

Намотать можно и каркасы небольших пешеходных мостов, транспортных средств (вагонов, катамаранов — ​такие есть в Китае и Германии), беспилотников и даже фермы для солнечных батарей космических аппаратов.

Дизайнерская мебель, малые архитектурные формы и арт-объекты — ​еще один потенциально большой рынок. «Мы исследуем сферы, в которых могли бы пригодиться наши решения», — ​говорит руководитель отдела продаж композитных изделий ТКЗ Роман Федоров.

Сотрудничество с «Росатомом»

ТКЗ не конкурент, а скорее потенциальный клиент «Росатома». Завод заинтересован в сотрудничестве и уже тестировал углеродный ровинг композитного дивизиона. Ровинг понравился, но требуется потолще, такой готовы брать. Возможно и партнерство в расширении номенклатуры изделий. Скажем, ТКЗ делает каркас, композитный дивизион — ​настилы и полную сборку.

Не исключено, что продукция под брендом «Монокрафт» заинтересует строителей, машиностроителей «Росатома» или организации, работающие на Севморпути. Перспективное направление — ​арктическое строительство. Напомним, что по поручению президента России госкорпорация участвует в разработке финансово-­экономической и организационной модели развития Трансарктического транспортного коридора (маршрута между северо-западными и восточными портами).

«У технологии хорошие перспективы, — ​комментирует заместитель гендиректора, технический директор дивизиона «Росатом Композитные технологии» Юрий Свистунов. — ​Организовать производство сложных конструкций можно не только на стационарном предприятии, но и на месте — ​там, где они будут использоваться. Есть и пространство для улучшений: пока технология пропитки такова, что эпоксидного связующего чересчур много, а убрать излишки невозможно. Из-за полимеризации при естественной температуре физико-механическими характеристиками приходится жертвовать — ​они слабее, чем при повышенной. А хотелось бы, конечно, их улучшить».