Термоформование полиметакрилиимида

Когда слышишь про термоформование полиметакрилиимида, первое, что приходит в голову — это панели для авиации, но на деле диапазон шире. Многие ошибочно полагают, что ПМИ — это просто улучшенный поликарбонат, а на деле это совсем другой класс термопластов с пиролизной стойкостью до 400°C. Помню, как на одном из объектов в Новосибирске пытались заменить ПМИ на термостойкий ПЭТ — результат был плачевным: деформация крепежных узлов после третьего цикла нагрева.

Что мы вообще формируем

Полиметакрилиимид, если брать марки типа Evonik Rohacell, — это не просто лист, а сэндвич-структура. В Visight мы работаем с препрегами на его основе, где важно не просто нагреть, а выдержать градиент температур. Типичная ошибка — резкий подъем до 180°C, тогда как на практике нужно идти от 120°C с шагом 15–20 градусов, иначе пузыри по кромкам гарантированы.

Кстати, о пузырях. В 2019 году на проекте для РЖД мы столкнулись с мелкими кавитациями в зонах изгиба. Оказалось, проблема не в материале, а в том, что вакуумный мешок не полностью отводил летучие продукты — пришлось менять схему перфорации сепараторов. Мелочь? Да, но именно такие мелочи определяют, пройдет ли деталь приемку ОТК.

Еще один нюанс — анизотропия. ПМИ после экструзии имеет выраженную ориентацию макромолекул, и если резать заготовку без учета направления, при термоформовании получим разную степень усадки. Мы в АО Баодин Вайзе Новый Материал Технология даже разработали внутреннюю инструкцию по маркировке направления проката — снизили процент брака на 17%.

Оборудование и его подводные камни

Идеального термоформовачного станка для ПМИ не существует. Мы используем кастомные решения на базе прессов с ИК-нагревателями, но даже здесь есть нюансы. Например, керамические ИК-элементы лучше кварцевых — дают более равномерный нагрев, но их ресурс всего 2–3 тысячи часов против 5 тысяч у кварцевых. Приходится считать экономику.

Особенно критичен контроль температуры в зонах сложной кривизны. Для обтекателей ветрогенераторов мы делаем дополнительные термопары в матрице — да, это удорожает оснастку, но без этого не добиться равномерности по всей поверхности. Как-то раз сэкономили на датчиках — получили разнотолщинность в 0.8 мм при допуске 0.3 мм.

Вакуумная система — отдельная тема. Для ПМИ нужен разрежение не менее 0.85 атм, иначе материал просто не повторит контур матрицы. Но здесь важно не переборщить — при слишком агрессивном вакууме появляются следы от перфорации оснастки. Пришлось экспериментировать с диаметром отверстий: для толщин 3–5 мм оптимальным оказался 0.6 мм с шагом 12 мм.

Технологические окна — где мы теряем контроль

Температура формования — это не точка, а диапазон. Для большинства марок ПМИ это 160–190°C, но есть нюансы. Например, китайские аналоги (тот же Визайт PMI-82) требуют на 5–7 градусов выше, чем немецкие Rohacell — видимо, из-за различий в молекулярной массе.

Время выдержки — самый неочевидный параметр. Казалось бы, чем толще материал, тем дольше греть. Но на практике для толщин свыше 8 мм возникает другая проблема: поверхность уже перегрета, а середина еще не достигла температуры стеклования. Решение — двухстадийный нагрев с промежуточной выдержкой при 140°C.

Охлаждение — та стадия, где многие ошибаются. Естественное охлаждение недопустимо — появляются внутренние напряжения. Принудительное охлаждение тоже нужно дозировать: если дуть холодным воздухом сразу после формования, поверхность покрывается микротрещинами. Мы отработали схему: сначала охлаждение до 80°C со скоростью 3–4°C/мин, потом до комнатной.

Случаи из практики — что пошло не так

В 2021 году делали кронштейны для БПЛА — казалось, все просчитали. Но после термоформования детали 'повело' на 2.5 мм от плоскости. Причина — неправильная ориентация заготовки относительно направления экструзии. Переделали с поворотом на 90 градусов — уложились в 0.3 мм.

Другой случай — появление 'апельсиновой корки' на поверхности. Долго искали причину, оказалось — конденсат на материале перед загрузкой в пресс. Теперь перед формованием обязательно выдерживаем ПМИ в климатической камере при 25°C и влажности 40% не менее 4 часов.

Самое обидное — когда все параметры соблюдены, но деталь не проходит по геометрии. Такое было с обтекателем для спутника: после формования получили отклонение в 1.2 мм по краю. Пришлось делать поправку на упругую деформацию — заранее увеличили радиус гиба на 0.15%. Сработало.

Перспективы и ограничения

Сейчас Визайт экспериментирует с армированными версиями ПМИ — добавляют короткое углеродное волокно. Это повышает жесткость, но усложняет термоформование: волокно мешает равномерной вытяжке. Пока получается работать только с простыми геометриями.

Еще одно направление — гибридные структуры. Например, ПМИ с интегрированными металлическими вставками. Проблема в разном КТР: при нагреве алюминий расширяется сильнее, чем полимер. Решаем предварительным нагревом вставок до 100°C перед формованием.

Основное ограничение ПМИ — все же стоимость. Материал в 3–4 раза дороже ABS, и не каждый проект может это потянуть. Но где нужны легкость + термостойкость + радиопрозрачность (как в антенных обтекателях), альтернатив практически нет.

Если смотреть на термоформование полиметакрилиимида в целом — это не массовая технология, а штучный инструмент для сложных задач. И как любой специализированный процесс, он требует не столько соблюдения инструкций, сколько понимания физики материала. Технологу без опыта здесь делать нечего — только испортит заготовку. А опытный специалист чувствует материал буквально на ощупь — по тому, как он идет на изгиб, уже может сказать, нужно ли корректировать температуру.