СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВОЛОКНИСТОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТНЫМ ИНФУЗИОННЫМ ПРОЦЕССОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF MAKING ARTICLES FROM FIBROUS POLYMER COMPOSITE BY SURFACE INFUSION AND DEVICE TO THIS END

Настоящее изобретение относится к технологии изготовления изделий, которые состоят из полимерного композиционного материала на основе непрерывных органических или неорганических волокон - армирующего наполнителя (сухой волокнистой заготовки), и термореактивной матрицы, поверхностным инфузионным процессом с последующим отверждением при повышенных температурах сухой волокнистой заготовки, пропитанной термореактивным олигомерным связующим - смолой.
Сухая волокнистая заготовка обычно представляет собой предварительно выложенную и уплотненную (предварительно уплотненную) заготовку из различных типов армирующего наполнителя, например, однонаправленной ленты, тканей различного плетения или мультиаксиальной непереплетенной ткани. При этом способ, с помощью которого получена волокнистая заготовка - автоматическая или ручная выкладка, уплотнение посредством ролика и лазерного нагрева или с помощью вакуума и повышенных температур, не имеет значения, и не оказывает влияния на суть способа и на устройство для осуществления способа, представленного в настоящей заявке, и не является предметом рассмотрения данной заявки.
В то же время необходимо сказать о важности и необходимости данного этапа для получения качественных изделий при изготовлении изделий методами вакуумной инфузии и при изготовлении изделий сложной формы и интегральных конструкций, формуемых за один раз. Воспроизводимость качества деталей в соответствии с требованиями конструкторской и иной нормативной документации также должна рассматриваться в совокупности процессов предварительного формования и способа и устройства, рассматриваемого в настоящей заявке.
В настоящее время известно много способов изготовления изделий методом вакуумной инфузии категории RLI (Resin Liquid Infusion - инфузия жидкого связующего), представленных, например, в патенте США №6964561, МПК8 B29C 70/48, 2005 г.; патенте США №6630095, МПК7 B29C 70/44, 2003 г.; заявке WO №06/058541, МПК8 B29C 70/48, 2006 г. Вакуумная инфузия относится к так называемым безавтоклавным технологиям (out-of-autoclave), где формование происходит за счет давления вакуумного мешка на заготовку (K.F.Mason. Autoclave quality out-side the autoclave // High-performance composites // March 2006, pp.44-49). Существенное развитие данный метод получил при появлении новых армирующих наполнителей и связующих с минимальной вязкостью во время процесса, но повышенными свойствами в составе волокнистого композита, что позволило использовать данный метод при изготовлении высоконагруженных деталей, в том числе для первичных авиационных конструкций.
Общим принципом инфузии в данных работах является движение смолы от подающего канала вглубь сухой заготовки к каналу, который подключен к источнику вакуума. При этом могут использоваться дополнительные активаторы течения смолы, например, Resin Distribution Media (сетки для распределения связующего), позволяющие доставлять и распределять смолу от канала подачи. Это позволяет ускорять процесс инфузии и обеспечивать изготовление изделий сложной формы, в том числе интегральных. Как следствие, направление движения смолы определяется взаимным расположением каналов подачи смолы и вакуумных каналов, наличием и расположением сетки для распределения связующего.
Как дальнейшая эволюция классического процесса вакуумной инфузии известны способы изготовления волокнистых композитов (патент ЕПВ №1181149, МПК7 B29C 70/44, 2003 г.; J.W.Gillespie, Jr. et al. Process and Performance Evaluation of the Vacuum-Assisted Process // Journal of Composite Materials, Vol.38, No.20, 1803-1814, 2004; заявка США №2008/0136060, МПК8 B29C 70/44, 2008 г.), где находит применение полупроницаемая мембрана, которая проницаема для газов, но непроницаема для смолы. Применение полупроницаемых мембран кардинально меняет принцип подачи смолы, принятый в классических методах.
При использовании полупроницаемой мембраны волокнистая заготовка помещается в отдельно созданную полость, образованную с одной стороны полупроницаемой мембраной и оснасткой (или полупроницаемой мембраной) с другой стороны. При этом обязательным условием является герметизация данной полости от полости, образованной пленкой вакуумного мешка.
Полупроницаемая мембрана имеет очень маленькую толщину (тонкий слой, напыляемый на какую-либо подложку), не позволяющую использовать мембрану в виде отдельного слоя, поэтому в случае использования для волокнистых композитов ее наносят на подложку в виде ткани. В качестве ткани может использоваться любой материал с воздухопроводящими свойствами при наличии вакуума и теплостойкости при максимальных рабочих температурах процесса. Использование подложки несет в себе несколько функций, основной из которых является создание воздухопроводящего канала, позволяющего откачивать воздух и газообразные включения в вакуумный канал. За счет использования такой подложки вместе с мембраной данный слой приобретает свое самое важное качество, а именно возможность создания равномерного значения вакуума равномерно по всей поверхности полупроницаемой мембраны и улучшения отвода газообразных включений от волокнистой заготовки по площади контакта с мембраной и дальнейшего транспортирования в вакуумный канал. Это позволяет уменьшить процент пористости в готовом изделии за счет постоянной дегазации внутренней полости, образуемой полупроницаемой мембраной. При этом в большом количестве случаев уменьшается количество дополнительных технологических материалов, поскольку воздухопроводящая подложка позволяет исключить использование, например, вентиляционных (дренажных) непереплетенных тканей и уменьшить количество вакуумных каналов, особенно на изделия сложной геометрии, в том числе интегральных. Как следствие, это приводит к частичному снижению трудоемкости сборки вакуумного мешка и установки каналов для подачи связующего и вакуумирования.
Известен способ изготовления волокнистых композитов вакуумной инфузией (заявка США №2008/0136060, МПК8 B29C 70/44, 2008 г.). В указанном способе образуют рабочую полость, в которой размещают волокнистую преформу с расположенной на ее поверхности распределительной тканью, вакуумируют рабочую полость, что обеспечивает поступление смолы к волокнистой преформе за счет всасывания смолы под действием разрежения из расходной емкости с последующей инжекцией смолы в преформу и пропиткой преформы смолой, и отверждают пропитанную смолой преформу с образованием волокнистого композита. При этом осуществляют непрерывную откачку воздуха и газообразных включений из рабочей полости с противоположных поверхностей преформы. Устройство для осуществления указанного способа включает рабочую полость, которая связана с расходной емкостью, содержащей смолу, и с вакуумным насосом. Рабочая полость сообщается посредством полупроницаемых мембран, прилегающих к преформе, с расположенными с противоположных сторон от преформы первой и второй полостями, каждая из которых связана с вакуумным насосом. На поверхности преформы находится распределительная ткань, на которую подается смола. Во второй полости, обращенной к поверхности волокнистой преформы, на которую подается смола, размещена вентиляционная ткань для транспортирования газообразных компонентов, поступающих во вторую полость из рабочей полости, к вакуумному насосу.
Недостатками способа и устройства, реализующего указанный способ, являются недостаточное качество волокнистого композита, получаемого в процессе вакуумной инфузии, и трудность изготовления волокнистых композитов сложной формы с интегрированными элементами усиления.
Как установлено заявителем, использование в указанном способе, как основного механизма, способствующего непрерывному удалению газообразных компонентов из объема рабочей полости с обеих сторон волокнистой преформы, полупроницаемых мембран, непосредственно прилегающих к поверхности преформы, повышает степень дегазации волокнистой преформы, но, тем не менее, не обеспечивает максимально эффективного удаления газообразных компонентов по всей поверхности преформы, что приводит к увеличению содержания пор и снижению заданной объемной доли волокна в композите.
Одними из основных вопросов, требующих решения при изготовлении изделий методом вакуумной инфузии, наряду с обеспечением пропитки жидким связующим волокнистой заготовки, является снижение пористости готового изделия и получение оптимального объемного содержания волокна в готовом изделии. При этом последний параметр является следствием, в том числе и первых двух условий, и получение хороших результатов по всем трем параметрам позволяет получать изделия с высокой несущей способностью.
На получение хороших результатов по указанным параметрам оказывают влияние разные факторы, наиболее важными из которых являются оптимальная вязкость связующего при заданных условиях процесса (и сохранение требуемой вязкости в течение заданного промежутка времени), проницаемость материала волокнистой заготовки (материал и направление волокон, зазоры между лентами, тип плетения и т.д.), а также схема сборки и применяемые технологические материалы, применяемые при сборке вакуумного мешка. При этом надо заметить, что доля вклада этих факторов в получение хорошего изделия неравнозначна. При пропитке наиболее важными являются факторы обеспечения требуемой вязкости связующего и проницаемость волокнистой заготовки, в то время как для параметров пористости и получения необходимого объемного содержания волокна наиболее важным становится фактор оптимальной схемы сборки вакуумного мешка и технологических материалов, применяемых при этом, который в совокупности с оптимальными параметрами процесса позволяет получать изделия (в том числе интегральные со сложной геометрией), аналогичные, а в ряде случаев, превосходящие изделия, выполненные из препрега с применением избыточного давления в автоклаве.
Значение пористости в готовом изделии обуславливается также качеством подготовки связующего (дегазации) для проведения пропитки волокнистой заготовки, что имеет большое значение при использовании классических способов вакуумной инфузии и существенно меньшее значение при использовании полупроницаемых мембран. Объемное содержание волокна, в отличие от автоклавных методов изготовления изделий, где это значение возможно регулировать величиной избыточного давления, в методе вакуумной инфузии определяется направлением распространения жидкого связующего по объему волокнистой заготовки и применением технологических материалов, позволяющих обеспечивать равномерную передачу усилия, возникающего из-за разницы давлений. При этом под технологическими материалами авторы подразумевают не только непосредственно материалы (пленки, сетки для распределения связующего, жертвенные ткани и т.д.), которые применяются одноразово, но и дополнительные элементы, например цулаги или элементы оснастки, используемые многократно. В данном случае наибольшее значение имеет фактор распространения связующего, поскольку максимальная величина усилия на волокнистую заготовку со стороны вакуумного мешка неизменна и может только уменьшаться, например, из-за снижения герметичности вакуумного мешка и потери вакуума. По наблюдениям авторов, снижение объемного содержания волокна обусловлено в первую очередь большим межслоевым расстоянием, которое увеличивается (раздвигается) и заполняется связующим в процессе пропитки, когда связующее движется вдоль слоев.
Все вышесказанное послужило основными предпосылками для создания способа и устройства для осуществления данного способа, предложенных в настоящей заявке.
Техническим результатом является достижение оптимального объемного содержания волокна, снижение пористости до минимальных значений, близких к нулевому, обеспечение пропитки изделий любой геометрии из различных волокнистых заготовок с помощью связующих, предназначенных для метода вакуумной инфузии, а также снижение трудоемкости сборки вакуумного мешка.
Одним из аспектов данного изобретения также является создание улучшенного и более экономичного по стоимости способа изготовления изделий, армированных волокном, методом вакуумной инфузии.
1
2
2
2
3
4
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделий из волокнистого полимерного композиционного материала на основе непрерывных органических и неорганических волокон и термореактивной матрицы поверхностным инфузионным процессом размещают волокнистую заготовку в рабочей камере, которая ограничена воздухопроницаемыми барьерным и фильтрующим слоями, причем барьерный слой имеет в своем составе накопительный и барьерный компоненты, создают разрежение в вакуумном канале, при помощи которого вакуумируются первая, вторая и рабочая камеры с одинаковым разрежением, обеспечивают поступления связующего на накопительный компонент барьерного слоя из канала подачи связующего с последующим накоплением и распределением связующего в накопительном компоненте барьерного слоя при температуре T, увеличивают температуру до значения Т при непрерывном всасывании связующего из расходной емкости в канал подачи связующего и поступление на накопительный компонент барьерного слоя, причем при достижении температуры Т барьерный компонент становится проницаемым для связующего для обеспечения поверхностно-ортогонального объемного поступления связующего из накопительного компонента барьерного слоя к волокнистой заготовке и инжекции связующего в волокнистую заготовку с постоянной подачей связующего на накопительный компонент от канала подачи связующего, при этом осуществляют постоянную откачку газообразных включений из рабочей камеры через проницаемый для газообразных включений, но непроницаемый для связующего фильтрующий слой с одной стороны волокнистой заготовки, что обеспечивает дальнейшее транспортирование газообразных включений в вакуумный канал, затем продолжают нагрев, и в интервале температур от T до T удаляют излишки связующего через реверсивный канал, после чего продолжают нагрев до температуры T отверждения пропитанной связующим волокнистой заготовки с образованием изделия из волокнистого полимерного композиционного материала, удаляя из него излишки связующего и газообразные включения через фильтрующий и барьерный слои.
В варианте технического решения в состав барьерного и фильтрующего слоев входят жертвенные слои, позволяющие удалить барьерный и фильтрующий слои с поверхности изделия после окончания процесса изготовления изделия.
В варианте технического решения фильтрующий слой имеет в своем составе компонент аналогично полупроницаемой мембране, выполняющей функцию удаления воздуха и газообразных включений по всей поверхности волокнистой заготовки.
В варианте технического решения барьерный слой расположен по всей площади волокнистой заготовки.
В варианте технического решения барьерный слой находится в контакте с каналом подачи связующего.
В варианте технического решения реверсивный канал образован подключением канала подачи связующего через ловушку для связующего к источнику вакуумирования.
В варианте технического решения барьерный и фильтрующий слои герметично соединены между собой при помощи герметизирующего жгута.
В варианте технического решения волокнистая заготовка содержит интегрированный элемент усиления.
Предлагаемый способ для изготовления изделий из волокнистого полимерного композиционного материала называется поверхностным инфузионным процессом (Surface Infusion Process - SIP).
Описанные выше материалы представляют собой набор нескольких функциональных слоев технологических материалов, которые вместе представляют собой так называемые барьерный и фильтрующий слои. Барьерный слой имеет в своем составе барьерный компонент, непроницаемый для связующего до определенного значения температуры, но проницаемый для воздуха и газообразных включений, и накопительный компонент, который позволяет накапливать связующее, поступающее от канала подачи, которое не поступает к волокнистой заготовке вплоть до момента начала проницаемости первого компонента. Данный компонент выполнен в виде жесткой объемной сетчатой структуры, легко проводящей связующее по своему внутреннему объему. Фильтрующий слой имеет в своем составе компонент, по своим свойствам выполняющий функцию, аналогичную полупроницаемым мембранам, который не позволяет связующему проникать через себя и в то же время проницаем для воздуха и газообразных включений. Это позволяет использовать фильтрующий слой аналогично полупроницаемым мембранам и позволяет пользоваться всеми преимуществами, но с существенным снижением трудоемкости сборки вакуумного мешка. Применение таких типов материалов позволяет гибко комбинировать схемами сборки вакуумного мешка, не предъявлять жестких требований к расположению каналов для подачи связующего и вакуумирования и обеспечить движение связующего перпендикулярно (ортогонально) направлению волокон в слоях заготовки по всей площади изделия.
В качестве барьерного слоя используют материал, представляющий собой набор нескольких компонентов, скрепленных между собой клеевыми составами либо сваренных между собой. Так, одним из компонентов барьерного слоя является накопительный компонент, выполненный из жесткой сетчатой структуры, не сжимаемой в условиях вакуума, выполненной из полиэфира, вторым является барьерный компонент, выполненный из полиэтилена или модифицированного полиэтилена с перфорацией для обеспечения проницаемости воздуха и непроницаемого для связующего, и третий компонент - жертвенный слой, выполненный из полиэфира или модифицированного полиэфира.
В качестве фильтрующего слоя используют материал, состоящий из двух компонентов, скрепленных между собой либо клеевыми составами, либо сваренных между собой. Одним компонентом фильтрующего слоя является полупроницаемая мембрана, выполненная из вспененного политетрафторэтилена и нанесенного на нее олеофобного слоя, непроницаемая для связующего и проницаемая для воздуха и газообразных включений, и второй компонент - жертвенный слой, выполненный из полиэфира или модифицированного полиэфира.
Применение указанных выше материалов в предлагаемом способе позволяет обеспечивать равномерную пропитку волокнистой заготовки связующим, которая начинается равномерно перпендикулярно вниз в волокнистую заготовку за счет заполнения накопительного компонента барьерного слоя и расположения барьерного слоя максимально по всей поверхности пропитываемой сухой волокнистой заготовки (преформы). Применение классических материалов, распределяющих связующее по плоскости (например, сетки для распределения связующего и т.д.), не позволяет организовать подачу связующего перпендикулярно вниз в волокнистую заготовку ортогонально слоям из отсутствия барьера между распределительной сеткой и поверхностью волокнистой заготовки. При этом проницаемость барьерного слоя для газообразных включений позволяет проводить постоянное удаление их от поверхности волокнистой заготовки на всем протяжении процесса, начиная от вакуумирования полости, в которой находится заготовка, до начала отверждения связующего, не препятствуя при этом насыщению накопительного компонента барьерного слоя связующим.
1
2
Таким образом, применение барьерного слоя, проницаемость которого равна 0% при температуре T и увеличивается до 100% при температуре T, позволяет поступать связующему с накопительного компонента к поверхности волокнистой заготовки равномерно по всей площади и позволяет реализовать поверхностный инфузионный процесс.
2
Кроме того, применение барьерного слоя, проницаемость которого сохраняется при всех температурах больше Т, позволяет проводить удаление газообразных включений по всей поверхности волокнистой заготовки с постоянной подачей связующего на накопительный компонент от канала подачи связующего на протяжении всего поверхностного инфузионного процесса.
Барьерный слой также позволяет удалять излишки связующего после окончания поверхностно-ортогональной вакуумной инфузии со всей поверхности волокнистой заготовки в реверсивный канал и далее в вакуумную ловушку, подключенную к источнику вакуума.
Применение фильтрующего слоя, характеристики которого позволяют выполнять функции, аналогичные полупроницаемым мембранам, позволяет создавать равномерный уровень вакуума по всей площади соприкосновения с волокнистой заготовкой и максимально эффективно проводить удаление газообразных включений на протяжении всего процесса.
Себестоимость изготовления таких слоев немногим выше стоимости набора технологических материалов по отдельности. Однако при использовании таких слоев существенно снижается трудоемкость сборки вакуумного мешка за счет снижения номенклатуры технологических материалов и появляется возможность для индивидуальной подготовки габаритных размеров барьерного и фильтрующего слоев под конкретное изделие, что дополнительно к снижению трудоемкости при сборке вакуумного мешка и исключению этапа раскроя технологических материалов приводит к снижению количества отходов материалов.
Расположение волокнистой заготовки в камере между барьерным и фильтрующим слоями позволяет создавать вакуумирование по всей поверхности волокнистой заготовки в случае ее контакта с барьерным и фильтрующим слоями, в том числе и через дополнительные технологические материалы, которые проницаемы для газообразных включений, и являются промежуточными слоями между барьерным слоем и волокнистой заготовкой с одной стороны, и фильтрующим слоем и волокнистой заготовкой - с другой стороны.
Наличие дополнительных технологических материалов не является необходимым условием для функционирования барьерного и фильтрующего слоев, но при их использовании обязательным условием является их проницаемость для воздуха и газообразных включений от волокнистой заготовки со стороны камеры, ограниченной фильтрующим слоем, и проницаемость для воздуха, газообразных включений и связующего - со стороны камеры, ограниченной барьерным слоем. При этом указанный случай, в котором подразумевается 100% площадь контакта барьерного и фильтрующего слоев с волокнистой заготовкой, не является единственно оптимальным для данного способа изготовления.
Наиболее важным для применения данного способа является изготовление деталей с интегрированными элементами усиления сложного сечения, выполняемыми из сухих волокнистых заготовок за один цикл изготовления. Изготовление таких элементов в большинстве случаев возможно только при наличии дополнительных формообразующих элементов оснастки, обеспечивающих интеграцию элементов усиления с высоким качеством. При этом существует закономерность, подтверждающая зависимость качества детали с интегрированными элементами от площади используемой формообразующей оснастки, которая вместе с формуемой деталью находится камере, ограниченной барьерным слоем с одной стороны, и фильтрующим слоем - с другой стороны, что в свою очередь ограничивает поверхность контакта этих слоев с волокнистой заготовкой, но не является ограничением для применения способа, указанного в данной заявке. Функции, которые несут в себе барьерный и фильтрующий слои, в случае изготовления деталей с интегрированными элементами усиления, которые в свою очередь обеспечиваются формообразующей оснасткой, полностью выполняются при условии введения дополнительных технологических материалов, расположенных между сухими волокнистыми заготовками элементов усиления и формообразующей оснасткой, которые находятся в непосредственном контакте с барьерным и фильтрующим слоями и обеспечивают удаление воздуха и газообразных включений, а также распределение связующего по поверхности заготовки элемента усиления. Это справедливо также и при применении дополнительных формообразующих элементов для обеспечения качества поверхности, так называемых цулаг. При этом случае достижение максимального эффекта может достигаться введением по площади сетки отверстий, предназначенных для проницаемости цулаги для воздуха, газообразных включений и связующего. Моделирование геометрии отверстий и их расположения позволяет создать необходимую проницаемость цулаги, и, как следствие, функциональность барьерного и фильтрующего слоев, а также качество формуемой поверхности.
Технический результат также достигается тем, что устройство для осуществления способа включает первую камеру, которая ограничена относительно окружающего пространства оснасткой и проницаемым для воздуха и газообразных включений, но непроницаемым для связующего фильтрующим слоем, закрепленным на оснастке с помощью герметизирующих жгутов, рабочую камеру для размещения волокнистой заготовки, причем рабочая камера ограничена от окружающего пространства воздухопроницаемыми фильтрующим слоем и барьерным слоем, причем барьерный слой закреплен на фильтрующем слое при помощи герметизирующего жгута, вторую камеру, которая ограничена от окружающего пространства барьерным слоем и герметичной пленкой вакуумного мешка, вакуумный канал, при помощи которого вакуумируются первая, вторая и рабочая камеры, соединенный с источником вакуумирования, причем величина разрежения во всех камерах одинакова за счет наличия проницаемости барьерного и фильтрующего слоев, а также наличия распределительной сетки, соединяющей между собой первую и вторую камеры, расходную емкость с каналом подачи связующего к барьерному слою и реверсивный канал, образованный за счет подключения канала подачи связующего через ловушку для связующего к источнику вакуумирования.
В варианте технического решения волокнистая заготовка находится в рабочей камере между барьерным и фильтрующим слоями, находящимися в непосредственном контакте с волокнистой заготовкой.
В варианте технического решения волокнистая заготовка содержит интегрированный элемент усиления.
Ниже изобретение объясняется более подробно посредством описания различных вариантов со ссылкой на приложенные чертежи, на которых изображено следующее.
На фиг.1 схематично изображено устройство для реализации заявляемого способа, на фиг.2 показано устройство для реализации заявляемого способа, в котором волокнистая заготовка содержит интегрированный элемент усиления Т-образного сечения, на фиг.3 изображено устройство для реализации заявляемого способа, в котором интегрированный элемент усиления имеет замкнутое сечение, на фиг.4 приведены температуры на различных стадиях технологического процесса поверхностно-ортогональной вакуумной инфузии (I - стадия подачи связующего на барьерный слой, его накопления и распределения по поверхности волокнистой заготовки, II - стадия, в течение которой барьерный слой приобретает 100% проницаемости и связующее с накопительного компонента барьерного слоя равномерно поступает к волокнистой заготовке и пропитывает ее, III - стадия, во время которой проходят определенные химические реакции, IV - стадия отверждения изделия. Наличие стадии III не является обязательным и зависит от используемого армирующего наполнителя и связующего).
Устройство, с помощью которого реализуется заявляемый способ, включает три последовательно сформированные на оснастке 1 камеры - первую камеру 13, рабочую камеру 14, в которой находится волокнистая заготовка 5, и вторую камеру 15.
Первая камера 13 ограничена относительно окружающего пространства проницаемым для воздуха и газообразных включений, но непроницаемым для связующего фильтрующим слоем 3, закрепленным на оснастке 1 при помощи герметизирующих жгутов 4, и оснасткой 1. Первая камера 13 связана посредством вакуумного канала 2 с источником вакуума 16. Фильтрующий слой 3 располагается к оснастке 1 воздухопроводящим компонентом, что позволяет транспортировать воздух и газообразные включения от поверхности заготовки 5 в вакуумный канал 2. При этом первая камера 13 соединена со второй камерой 15 при помощи распределительной сетки 18, что позволяет создать одинаковое значение разрежения в первой камере 13 и во второй камере 15, при этом используют один вакуумный канал 2, подключенный к источнику вакуума 16.
Проницаемый для газообразных включений, но не проницаемый для связующего фильтрующий слой 3 содержит в своем составе воздухопроводящий компонент, выполненный из материала, размер пор которого обеспечивает прохождение через него молекул газа, но препятствует прохождению молекул связующего. Размер этих пор примерно в 20000 раз меньше размера капли воды, но в 700 раз меньше молекулы водяного пара, что обеспечивает свободное прохождение газообразных включений через фильтрующий слой 3, но создает физический барьер для молекул связующего, препятствуя их прохождению.
Фильтрующий слой 3 располагается на поверхности оснастки 1 и при необходимости фиксируется липкой лентой, при этом поверхность оснастки 1 может быть предварительно обработана антиадгезионной смазкой. Воздухопроводящий компонент фильтрующего слоя 3 служит для создания проводящего слоя между оснасткой 1 и волокнистой заготовкой 5, а также для обеспечения одинакового значения разрежения по всему объему первой камеры 13. Воздухопроводящий компонент является дышащим и одновременно характеризуется параметром, не оказывающим влияния на качество поверхности готового изделия. Фильтрующий слой 3 находится в постоянном контакте с вакуумным каналом 2.
На первой камере 13 сформирована рабочая камера 14, ограниченная относительно окружающего пространства фильтрующим слоем 3 и барьерным слоем 6, закрепленным на фильтрующем слое 3 при помощи герметизирующего жгута 7. Обязательным условием является герметизация барьерного слоя 6 на поверхности фильтрующего слоя 3 или по контуру герметизирующего жгута 4, но не далее его. При этом рабочая камера 14 должна быть герметична от первой камеры 13 и второй камеры 15.
В рабочей камере 14 размещена волокнистая заготовка 5. Рабочая камера 14 через проницаемые для воздуха и газообразных включений барьерный и фильтрующий слои подключена к источнику вакуумирования 16 через вакуумный канал 2, что позволяет создать в рабочей полости разрежение, идентичное камерам 13 и 15.
Сверху рабочей камеры 14 сформирована вторая полость 15, которая ограничена относительно окружающего пространства барьерным слоем 6 и герметичной пленкой вакуумного мешка 8 и 9, при этом герметичная пленка 8 закреплена при помощи герметизирующих жгутов 4 и 7, а герметичная пленка 9 закреплена на оснастке 1 при помощи герметизирующего жгута 10. Герметичная пленка 8 предназначена для исключения смещения барьерного слоя 6, склонного к минимальному уменьшению размеров при высоких температурах, а также для исключения попадания связующего из расходной емкости 17 через канал подачи связующего 12 в распределительную сетку 18 и далее в камеру 13 и вакуумный канал 2, не поступая при этом в волокнистую заготовку 5. Герметичная пленка 9 обеспечивает общую герметизацию вакуумного мешка.
Барьерный слой 6 находится в постоянном контакте с расходной емкостью 17 посредством канала подачи связующего 12. Канал подачи связующего 12 находится в постоянном контакте с накопительным компонентом барьерного слоя 6, что обеспечивается, например, непосредственным креплением канала 12 на барьерном слое 6 или при использовании дополнительных переходников 22, размещаемых и фиксируемых на барьерном слое. Габариты барьерного слоя выбираются больше площади поверхности волокнистой заготовки 5. В варианте технического решения, представленного фиг.2, габариты барьерного слоя выбираются больше площади поверхности волокнистой заготовки, свободной от формообразующей оснастки 19.
Заявляемые способ и устройство могут быть без модификации применены для изготовления изделий различной геометрии, в том числе изделий с интегрированными элементами усиления различного профиля. На фиг.2 иллюстрируется устройство, в котором волокнистая заготовка 5 включает элемент усиления замкнутого сечения 20 (поз.19 - технологическая формообразующая оснастка, которая может быть изготовлена, например, из металла или углепластика), на фиг.3 показано устройство, в котором волокнистая заготовка 5 содержит интегрированный элемент усиления замкнутого сечения 21 (позиция 11 - технологическая оснастка, служащая для обеспечения требуемой геометрии элемента усиления. Оснастка 11 может изготавливаться в виде твердого тела, сохраняющего свою форму при воздействии на него параметров технологического процесса).
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
Камеры 13, 14 и 15 вакуумируются при помощи вакуумного канала 2, соединенного с источником вакуумирования 16, причем величина разрежения в камерах одинакова за счет наличия проницаемости для воздуха барьерного слоя 6 и фильтрующего слоя 3, а также наличия распределительной сетки 18, соединяющей между собой первую камеру 13 и вторую камеру 15.
1
После вакуумирования всех камер при температуре T (от 70°C до 110°C) во вторую камеру 15 на барьерный слой 6 подается связующее, поступающее на накопительный компонент барьерного слоя. Накопительный компонент быстро заполняется связующим и распределяет его по всей площади барьерного слоя 6. Барьерный компонент в составе слоя не позволяет связующему проникать от канала подачи связующего и накопительного компонента в вглубь волокнистой заготовки 5. Накопление связующего осуществляется до максимального заполнения накопительного компонента барьерного слоя 6, что определяется визуально (при технической возможности) и по остановке потока связующего от расходной емкости 17 в канал 12.
2
После окончания стадии I, при которой происходит наполнение накопительного компонента, температуру поднимают до значения Т (от 110°C до 150°C), на которой начинается стадия II, характеризующаяся началом проницаемости барьерного слоя 6. При этом накопленное связующее начинает поступать перпендикулярно вниз вглубь волокнистой заготовки 5, пропитывая ее. Израсходованное из накопительного компонента связующее продолжает поступать в него из расходной емкости 17 через канал 12, обеспечивая таким образом канал, сформированный цепочкой последовательных элементов: расходная емкость 17 - канал подачи связующего 12 - барьерный слой 6 - волокнистая заготовка 5. Каждый элемент этой цепочки находится в непосредственном контакте с соседним элементом, что способствует эффективной пропитке волокнистой заготовки 5 связующим.
Одновременно с этим камера 15 обеспечивает непрерывную дегазацию связующего, заполняющего накопительный компонент барьерного слоя 6 и постоянное удаление воздуха и газообразных включений от внешней поверхности волокнистой заготовки 5, прилегающей к барьерному слою 6.
Камера 13 создает равномерное разрежение и обеспечивает непрерывное удаление воздуха и газообразных включений от внутренней поверхности волокнистой заготовки через фильтрующий слой 3 в вакуумный канал 2. При этом разрежение в камерах 13, 14 и 15 максимально и одинаково, что позволяет получить максимальное объемное содержание волокна в готовом изделии при минимальной пористости и требуемой толщине.
На конечном этапе стадии II (после окончания пропитки) создается уплотнение пропитанной волокнистой заготовки путем стопроцентного открытия канала 12 на определенный промежуток времени. Продолжительность уплотнения определяется исходя из габаритов волокнистой заготовки, количества и расположения каналов 12, применяемого связующего.
2
3
После окончания уплотнения и стадии II канал 12 подачи связующего подключается через вакуумную ловушку 23 к источнику вакуумирования 16, образуя реверсивный канал. Это создает дополнительную точку вакуумирования, позволяя удалить излишки связующего с поверхности волокнистой заготовки 5 в интервале температур от T до T (от 110°C до 200°C). Работа реверсивного канала в обычном варианте может продолжаться до начала стадии IV, при этом продолжительность работы реверсивного канала зависит от параметров применяемого связующего.
Стадия III в стандартном варианте позволяет максимально удалить излишки связующего с волокнистой заготовки 5, а также позволяет учесть физико-химические параметры применяемого связующего и требования к процессу отверждения, рекомендованные производителями связующих.
На всех стадиях процесса величина разрежения одинакова в камерах 13, 14 и 15 и обеспечивается вакуумным каналом 2 (на стадии I и II) и реверсивным каналом 24 (на стадиях II и III и IV). Отверждение волокнистой заготовки осуществляется на стадии IV при температурах от 160°C до 200°C в течение времени, рекомендованного производителями связующего. После охлаждения готовое изделие извлекается из камеры 14, причем наличие жертвенных слоев в барьерном слое 6 и фильтрующим слое 3 позволяет отделить их от изделия без больших усилий и приложения больших изгибающих нагрузок.
Максимальные размеры изделий из волокнистых полимерных композиционных материалов, получаемых по заявляемому способу, практически не ограничены и могут быть реализованы при использовании широкого перечня армирующих наполнителей и связующих, при этом максимальная толщина изделий ограничена только характеристиками применяемых материалов.
Таким образом, заявляемые способ и устройство позволяют изготавливать методом поверхностного инфузионного процесса изделия из волокнистых полимерных композиционных материалов высокого качества, с заданной геометрией и очень низким уровнем пористости, в том числе изделия сложной формы с интегрированными элементами усиления.
Также заявляемые способ и устройство позволяют существенно снизить трудоемкость сборки устройства за счет уменьшения количества применяемых технологических материалов, сократить время технологического цикла подготовки устройства и обеспечить меньшую себестоимость изготовления изделий при сохранении требуемого качества.