Формование изделий из радиопрозрачных материалов с использованием СВЧ-излучения

Морозов Олег Геннадьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой телевидения и мультимедийных систем

Насыбуллин Айдар Ревкатович, ассистент кафедры телевидения и мультимедийных систем

Абсолютное число технологических процессов подразумевает осуществление операции нагрева. Таковыми являются процессы формования и переработки различных отходов, которые могут выступать в качестве исходного сырья для изготовления новых изделий. В настоящей работе рассматривают-сяпроцессы и методы формования листовых диэлектрических материалов при использовании СВЧ-обработки.

Процессы формования. Применительно к термореактивным полимерным материалам (стеклопластики, углепластики и др.) на качество конечной продукции наибольшее влияние оказывает два основных этапа: плавление и твердение. На этапе плавления происходит расплавление полимерного связующего и последующее образование полимерной матрицы. На этапе твердения происходит закрепление изделия в требуемой форме. Наиболее сложным является этап твердения. На данном этапе вслед за плавным снижением температуры происходит температурное сжатие размеров изделия. В данном процессе происходит сжатие не только самого изделия, но и формы, в которой происходит формовка. В зависимости от температурных коэффициентов линейного расширения материалов заготовки и формы возможно возникновение внутренних напряжений в изделии, что снижает его качество. При значительном различии коэффициентов линейного расширения возможно полное разрушение либо формы для формования изделия, либо заготовки изделия. Приведенные варианты являются неприемлемыми, поскольку увеличивают как себестоимость, так и время изготовления готовой продукции.

Данные процессы во многом схожи с процессом изготовления автомобильных стекол, в первую очередь закаленного стекла (сталинит) [7]. Способ изготовления такого стекла заключается в методе специальной термообработки, при которой стекло вначале равномерно нагревают (этап формообразования), а потом равномерно и быстро охлаждают воздушным потоком (этап фиксации формы). Нагревание происходит приблизительно до 650°С, затем охлаждается воздушными струями так, чтобы поверхности охлаждались быстрее, а внутренняя сердцевина - более медленно. При этом создаются высокие поверхностные напряжения, придающие стеклу повышенную механическую прочность и термостойкость. Перепад температур в процессе закалки приводит к появлению зон концентрации механических напряжений в автостекле. Результатом появления зон концентрации механических напряжений приводит к снижению механической прочности. В результате несильный удар по этим областям способно привести к полному разрушению сталинита.

Важно заметить, что появление зон концентрации механических напряжений могут быть вызваны не только перепадом температур, но также и механическим воздействием формующей оснастки на заготовку изделия в процессе твердения. Это приводит к необходимости исследования и разработки технологии, которая позволит снизить влияние формы для изготовления на готовую продукцию. Перспективной технологией, позволяющей получать новые результаты, является технология СВЧ-обработки. Далее приводятся результаты экспериментального исследования процессов формования тестовых образцов стекла при комплексном СВЧ нагреве.

Методы проведения экспериментов. Для формования изделия тестовые образцы нагревали до различных температур. В ходе проведения исследований были реализованы следующие методы формования:

• -    формование в закрытых штампах - нагретую заготовку укладывают в матрицу, после чего под давлением пуансона заготовке придается требуемая форма;

• -    пневмо- и вакуум-формование в матрицу -вакуум создается в объеме, образованном заготовкой изделия и полостью матрицы. При пневмоформовании избыточное давление создается между заготовкой и прижимным кольцом формовочной оснастки;

• -    прессование - наиболее простой способ выработки изделий из стекла или полимеров. При прессовании порцию стекла загружают в корпус пресс-формы. Затем на форму опускают ограничительное кольцо. После этого пуансон начинает прессование, выжимая вязкую стекломассу вверх, в пространство между рабочими поверхностями корпуса, пуансона и ограничительного кольца.

При реализации традиционных способов нагрева в процессе формования стекла используют различные способы конвективного подвода тепла. В приводимых экспериментах реализован комплексный нагрев, а именно сочетание конвективного нагрева с СВЧ-нагревом. Высокоинтенсивное электромагнитное поле нагревает как саму форму, в которой находиться заготовка изделия, так и формуемую заготовку изделия. Данная заготовка также нагревается от формы, которая выполнена из высокотемпературной радиокерамики, способной эффективно поглощать электромагнитное поле, тем самым нагревая заготовку изделия.

Критерием качества для рассматриваемых в данной работе материалов является принятие требуемой формы, а также наличие зон концентрации механических напряжений. Для контроля последних в соответствие с ГОСТ 3519-91 применяют полярископы и поляриметры - предназначенные для определения двойного лучепреломления в плоских заготовках и изделиях из прозрачных и слабо-окрашенных материалов. Поляриметр позволяет получать численную оценку для механических напряжений путем измерения степени поляризации прозрачных и оптических сред. Полярископ в отличие от поляриметра устроен значительно проще, вследствие чего не позволяет измерить степень поляризации, однако позволяет увидеть различия в степени поляризации различных участков материалов из оптически прозрачных сред [6]. Простейший поляриметр состоит из двух скрещенных поляризаторов, способных пропускать свет одной поляризации. Отформованное изделие, содержащее большое число зон концентрации механических напряжений, помещенное между двумя поляризаторами, в проходящем свете будет иметь яркую окраску.

Для количественной оценки качества применен метод гистограммы распределения яркости, широко используемый в технике цифровой фотографии [8]. Суть его заключается в следующем - каждому пикселю на цифровой фотографии соответствует определенное значение яркости. По этим данным строиться гистограмма распределения яркости, где по горизонтальной оси представлена яркость, а по вертикали - относительное число пикселей с данным значением яркости. При этом чем больше участков с различным значением яркости, тем шире гистограмма. Математически данный факт выражается через стандартное отклонение - чем более однородный цвет, тем меньше стандартное отклонение на гистограмме распределения яркости.

Результаты экспериментов. В процессе проведения экспериментов были реализованы 8 различных вариантов формования стекол. Изделие считалось сформованным при достижении поверхности изделия кривизны соответствующей сфере радиусом 300 мм. Размеры тестовых образцов были выбраны равными 60*60 мм. Температурные режимы отличались температурой формования и временем выдержки при заданной температуре (рис. 1).

Параметры рассмотренных вариантов представлены в таблице 1. Каждый обработанный образец помещался в полярископ, фотографировался, полученная фотография подвергалась анализу по гистограмме распределения яркости. Результаты представлены в таблице 2. Примеры обработанных тестовых образцов показаны на рис. 2-3. Соответствующие гисто- граммы распределения яркости показаны на рис. 4-5.

Время [мин]

Рис. 1. Температурные режимы, реализованные в процессе экспериментов

Таблица 1. Параметры вариантов обработки заготовки изделия

№ варианта	Толщина образца, мм	Те мпе ратура, 0 C	Время вы-держ-ки при заданной темп., мин.	Метод формовки
1	2	600	5	прессование
2	2	550	5	формование в матрицу
3	2	500	5	формование в матрицу
4	2	500	10	прессование
5	4	600	10	формование в матрицу
6	6	600	15	формование в матрицу
7	2	700	15	в закрытых штампах
8	2	650	15	в закрытых штампах

Таблица 2. Параметры гистограмм распределения яркости при разных режимах

Режим	Стандартное отклонение	Принятие формы
1	27,1	да
2	26,2	да
3	25	нет
4	36,7	да
5	25,4	да
6	60,2	да
7	52,8	да
8	57,6	да

Результаты, приведенные в таблице 2, показывают, что по критерию минимума стандартного отклонения гистограммы распределения яркости наименьшим количеством зон концентрации механических напряжений обеспечивают режимы 3, 5, 2, 1. При этом образец, обработанный в соответствие с режимом 3, не принял требуемую форму.

Рис. 2. Фотография образца заготовки из стекла для 5 варианта обработки

Рис. 3. Гистограмма распределения яркости фотографии образца заготовки из стекла для 5 варианта обработки

Рис. 4. Фотография образца заготовки из стекла для 6 варианта обработки

Рис. 5. Гистограмма распределения яркости фотографии образца заготовки из стекла для 6 варианта обработки

Выводы: реализация технологии формования изделий из стекла или термореактивных материалов с использованием СВЧ-обработки происходит при тех же температурах что и технологии, использующие традиционные способы нагрева. Отличие состоит в методе формования. При реализации традиционной технологии наилучшее качество обеспечивает метод формования в закрытых штампах. Использование технологии формования при реализации СВЧ-обработки требует применения другого способа формования, а именно метод формования в матрицу.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного контракта №16.513.11.3114.