МАСТЕР-МОДЕЛЬ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к изготовлению мастер-моделей, предназначенных для формования изделий, в частности, для изготовления технологической оснастки из полимерных композиционных материалов (ПКМ), и может найти применение в аэрокосмической, автомобильной, судостроительной и других отраслях промышленности.
Мастер-модель - это модель изделия в натуральную величину, по которой изготавливают формы, являющиеся негативным отражением модели, в частности, на мастер-модели выкладывается и формуется технологическая оснастка, используемая в дальнейшем для изготовления деталей, например, из полимерных композиционных материалов. Мастер-модель должна иметь форму, точно соответствующую геометрическим параметрам конечного изделия, а также гладкую поверхность.
Для изготовления мастер-моделей используют различные материалы, например, различные полимерные материалы, дерево, металлы (алюминий, сталь), смолы и т.д.
Недостатками мастер-моделей из металлов или дерева является высокий вес, что оказывается существенным при изготовлении крупногабаритных изделий, различие коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) материала мастер-модели и оснастки, а также трудоемкость ее изготовления.
-6
-6
-1
Широко распространенными материалами для изготовления мастер-моделей являются полиуретановые плиты. Полиуретановые плиты выпускаются различными компаниями (Huntsman, США; RAMPF, Германия; Sika, Германия-Швейцария; Apotech, Италия и др.) и отличаются в широком диапазоне по значениям плотности и прочности. Использование готовых плит для изготовления мастер-моделей значительно упрощает процесс производства мастер-моделей, сокращает срок их изготовления, а также себестоимость. Основным недостатком мастер-моделей из полиуретановых плит является невозможность осуществления на них формования оснастки при повышенных температурах вследствие низких значений температуры размягчения около 60-100°C и высоких значений коэффициента термического расширения (КТР) в диапазоне 40·10-70·10°C. Указанные недостатки могут приводить к искажению формы мастер-модели при формовании композиционной оснастки из высокопрочных материалов, а также за счет разницы в значениях КТР мастер-модели и композиционной оснастки к короблению последней и, соответственно, к неточности изготовления по геометрическим параметрам конечного изделия, снимаемого с нее.
3
-6
-1
Известна мастер-модель, содержащая элементы, выполненные из древесноволокнистого материала с плотностью не менее 0,6 г/см, склеенные между собой с помощью термостойкого клея с рабочей температурой не менее 130°C и покрытые слоем лака с твердостью не менее 0,5 по «стеклянному числу» (RU 137487 U1, В22С 7/00, 20.02.2014). Недостатком указанной мастер-модели является невозможность ее использования при изготовлении оснастки из высокопрочных материалов, требующих повышенных температур, из-за выполнения составляющих ее элементов из древесно-волокнистого материала типа МДФ (MDF - анг. Medium Density Fiberboard - древесноволокнистая плита средней плотности) или ХДФ (HDF - англ. High Density Fibreboard - древесноволокнистая плита высокой плотности), который обладает ограничениями по температуре применения до 60°C и высокой гигроскопичностью, также из-за использования для склеивания указанных элементов клея с недостаточно высокой рабочей температурой, а также из-за того, что в качестве покрытия для мастер-модели используется лак или грунт на основе полиэфира, который обладает достаточно высокими значениями КТР до 100·10°C. Все указанные факторы как отдельно, так и в совокупности могут привести к искажению формы мастер-модели в процессе хранения и эксплуатации, а также способствовать развитию процесса коробления снимаемой с мастер-модели оснастки, что, в свою очередь, приведет к ухудшению качества конечной детали из ПКМ.
Наиболее близким аналогом предлагаемой мастер-модели является мастер-модель, содержащая основу, выполненную из элементов из пеностекла, склеенных между собой посредством термостойкого клея, и слой полимерного материала, покрывающий основу и образующий рабочую поверхность (GB 2445824, В29С 33/38, опубл. 23.07.2008). Выполнение элементов основы из пеностекла - материала с высокой термостойкостью и максимально близким значением КТР к композиционной оснастке позволит минимально снизить или вовсе исключить коробление композиционной оснастки за счет разницы КТР и существенно повысить точность ее формы и геометрических параметров при изготовлении. Покрытие поверхности основы из склеенных элементов, имеющих пористую структуру, слоем полимерного материала обеспечит гладкость рабочей поверхности мастер-модели, и соответственно, требуемое качество поверхности формуемой на ней оснастки.
Для склеивания элементов из пеностекла могут быть использованы различные клеи, отличающиеся по химическому составу, способу и режимам применения. Например, клей, известный из патента CN 101397486 (C09J 163/00, опубл. 01.04.2009) имеет состав: компонент А, состоящий из жидкой эпоксидной смолы новолачного типа в количестве 20-35% масс. и модификатора карбоксилированного бутадиен-нитрильного каучука в количестве 12% масс. в растворителе, и компонент Б - отвердитель, имеющий химическую структуру 1,4-дифенил(2,4-диаминофенилоксид) в количестве 15-20% масс. от эпоксидной смолы. Достоинствами данного состава для склеивания по данным патента являются хорошая термостойкость, высокие значения растяжения и сдвига, простота приготовления - смешение двух компонентов А и Б в заданном соотношении без введения дополнительного растворителя.
Недостатком данного клея при склеивании пеностекла является наличие модификатора - карбоксилированного бутадиен-нитрильного каучука, который в указанных в патенте количествах в процессе фазового разделения при отверждении смолы будет выделяется в отдельную фазу в виде отдельных частиц микронного размера. Из-за различия в плотностях отверждаемой эпоксидной матрицы и частиц карбоксилированного бутадиен-нитрильного каучука в процессе отверждения будет происходить миграция частиц на границу со склеиваемыми деталями, что будет приводить к образованию дефектов на границе склеивания из-за большого различия в способности к смачиванию и значений поверхностной энергии когезии пеностекла, эпоксидной отвержденной матрицы и частиц карбоксилированного бутадиен-нитрильного каучука. Причем, поскольку в качестве отвердителя выбран латентный диамин, отверждение будет происходить при высоких температурах, при которых эти факторы будут играть существенную роль из-за различий в КТР пеностекла и клея. Наличие дефектов, образующихся в процессе отверждения при высоких температурах, будет сказываться на снижении прочностных показателей в последующих циклах нагревания/охлаждения, при которых будет происходить образование микротрещин на границе с частицами карбоксилированного бутадиен-нитрильного каучука и пеностекла. Наличие карбоксильных групп в частицах каучука будет способствовать повышенному водопоглощению из-за гидрофильности частиц каучука и сорбции воды, наличие которой будет приводить к снижению прочности и изменению геометрических размеров в процессе эксплуатации.
Задачей настоящей полезной модели является повышение качества мастер-модели за счет обеспечения при склеивании элементов из пеностекла прочного клеевого шва, обладающего близким КТР и высоким сродством к пеностеклу.
Технический результат достигается посредством мастер-модели, содержащей основу, выполненную из элементов из пеностекла, клееных между собой посредством термостойкого клея, и слой полимерного материала, покрывающий основу и образующий рабочую поверхность, при этом в качестве термостойкого клея использован двухкомпонентный тиксотропный эпоксидный клей, состоящий из тетраглицидиловой эпоксидной смолы, содержащей 8% масс. аэросила, и смеси отвердителей на основе модифицированного алифатического амина и аминопропилтриэтоксисилана, и имеющий температуру стеклования не менее 180°C.
Использование клея, обладающего высоким сродством к пеностеклу (материалу на основе силикатов) и близкими значениями КТР, отверждение которого можно проводить при умеренных температурах в течение длительного времени для формирования бездефектного клеевого слоя с низкими значениями водопоглощения и длительным сроком эксплуатации, который будет достигаться за счет низкой восприимчивости адгезионных контактов к циклам нагревания/охлаждения позволит при склеивании пеностекла создать прочный клеевой шов. Для реализации вышеуказанных факторов в качестве клея предлагается использовать двухкомпонентный тиксотропный клей, имеющий в своем составе компонент А: тетраглицидиловую эпоксидную смолу, содержащую аэросил в количестве 8% масс., и компонент Б: смесь отвердителей, таких как модифицированный алифатический полиамин и аминопропилтриэтоксисилан, последний из которых используется как эффективный промотор адгезии для стеклонаполненных композиций. Отверждение клея проводят при комнатной температуре в течение длительного времени с постотверждением при 80°C, после которого температура стеклования составляет 180°C, и прочностные характеристики достигают 30 МПа, что превосходит значения прототипа на 15-20%.
Применение клея, имеющего в своем составе аэросил, высокодисперсный порошок оксида кремния с развитой поверхностью, обладающей, как свойством придавать тиксотропность, для предотвращения его расслоения и проникновения жидких компонентов в поры пеностекла, а также сродством к пеностеклу, которое в присутствии аминопропилтриэтоксисилана приведет к образованию высокопрочного адгезионного контакта между пеностеклом и эпоксидной матрицей, наполненной высокодисперсными частицами аэросила. Причем в процессе отверждения будет происходить «запечатывание» пористой поверхности пеностекла за счет капиллярного эффекта, возникающего при смачивании, из-за применения компонентов клея, содержащих кремнийорганические структуры (аминопропилтриэтоксисилан) и силикаты (аэросил), обладающие близкими значениями КТР и высоким сродством к пеностеклу.
Вышеизложенные особенности и преимущества предлагаемой полезной модели будут понятны из последующего описания предпочтительного примера ее осуществления со ссылками на прилагаемую фигуру, на которой изображена схема мастер-модели в соответствии с настоящей полезной моделью.
Мастер-модель 1 содержит основу 2, выполненную из элементов 3, склеенных между собой посредством термостойкого клея.
3
-6
-1
Указанные элементы 3 выполнены из пеностекла, плотность которого составляет 0,12-0,14 г/см, коэффициент термического расширения до 9·10°C и температура применения до 485°C.
Для склеивания между собой элементов 3 основы 2 мастер-модели 1 использован термостойкий двухкомпонентный тиксотропный эпоксидный клей, состоящий из тетраглицидиловой эпоксидной смолы, содержащей 8% масс. аэросила, и смеси отвердителей на основе модифицированного алифатического амина и аминопропилтриэтоксисилана, и имеющий температуру стеклования не менее 180°C.
Основа 2 из склеенных элементов 3 из пеностекла покрыта слоем 4 полимерного материала. Это покрытие из полимерного материала образует рабочую поверхность 5, т.е. поверхность, которая будет контактировать с выкладываемой и формуемой технологической оснасткой из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и используемой в дальнейшем для изготовления деталей.
В качестве полимерных материалов могут быть использованы термореактивные полимеры, например, эпоксидные, бисмалеимидные смолы, полиуретановые полимеры, а также термопластичные полимеры, например, полимер ABS (сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола).
Поверх слоя 4 полимерного материала может быть нанесен слой 6 антиадгезионного состава.
Описанная выше мастер-модель 1 может быть изготовлена следующим способом.
Плиты, выполненные из пеностекла, склеивают посредством термостойкого клея.
При этом в качестве плит могут быть использованы готовые плиты из пеностекла, например, широко применяемые в строительстве теплоизоляционные плиты из пеностекла.
В качестве термостойкого клея использован двухкомпонентный тиксотропный эпоксидный клей, состоящий из тетраглицидиловой эпоксидной смолы, содержащей 8% масс. аэросила, и смеси отвердителей на основе модифицированного алифатического амина и аминопропилтриэтоксисилана, и имеющий температуру стеклования не менее 180°C.
Плиты из пеностекла, склеенные указанным выше термостойким клеем, выдерживают при комнатной температуре с постотверждением при 80°C до полного отверждения термостойкого клея.
Затем выполняют механическую обработку склеенных плит до заданных размеров мастер-модели 1 за вычетом толщины наносимого в дальнейшем слоя 4 полимерного материала. Механическая обработка может быть осуществлена под заданную форму на фрезерном станке с ЧПУ. В результате получают основу 2 мастер-модели, состоящую из элементов 3 из пеностекла, склеенных указанным двухкомпонентным тиксотропным эпоксидным клеем.
При необходимости может быть выполнено шлифование поверхности полученной основы 2 мастер-модели.
Затем на поверхность полученной в результате механической обработки основы 2 мастер-модели 1, образованной склеенными элементами 3 из пеностекла, наносят слой 4 полимерного материала.
Нанесенное покрытие из полимерного материала отверждают при заданной температуре в зависимости от применяемого полимерного материала. Например, при использовании в качестве покрытия эпоксидной смолы отверждение проводят по ступенчатому режиму при температуре до 180-200°C.
При необходимости может быть выполнено шлифование покрытия, образованного слоем 4 полимерного материала.
Затем поверх слоя 4 полимерного материала может быть нанесен слой 5 антиадгезионного состава, обеспечивающий снижение прилипаемости рабочей поверхности мастер-модели 1 к полимерным композиционным материалам при формировании в дальнейшем технологической оснастки.
Оснастка на основе термостойких смол, изготовленная с помощью предлагаемой мастер-модели, может быть использована для изготовления изделий с высокими эксплуатационными характеристиками в условиях промышленного термошкафа или автоклава.
Проверка мастер-модели, изготовленной вышеописанным способом, на герметичность путем сборки на ней технологического вакуумного пакета показывает высокое значение абсолютного давления внутри пакета не более 1,3 кПа, в том числе с выдержкой не менее 10 минут при отключении вакуумного насоса.
Таким образом, использование для изготовления элементов мастер-модели плит из пеностекла, имеющую высокую термостойкость, склеивание указанных элементов между собой посредством двухкомпонентного тиксотропного эпоксидного клея, состоящего из тетраглицидиловой эпоксидной смолы, содержащей 8% масс, аэросила, и смеси отвердителей на основе модифицированного алифатического амина и аминопропилтриэтоксисилана, и имеющий температуру стеклования не менее 180°C, и покрытие основы из склеенных элементов слоем полимерного материала в совокупности позволит повысить качество мастер-модели за счет обеспечения между склеенными элементами из пеностекла прочного клеевого слоя, обладающего близким КТР и высоким сродством к пеностеклу, что, в свою очередь, приведет к повышению качества конечной детали из ПКМ.