ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ЗАГОТОВКИ
FORMING APPLIANCE

Изобретение относится к приспособлению для формования заготовки по меньшей мере с одной первой и одной второй конструктивной деталью, между которыми является запрессовываемой под воздействием тепла подлежащая формовке заготовка.
Приспособление для формования заготовки равномерно растягивается во всех направлениях при затвердевании заготовки под воздействием температуры. Если заготовка изготавливается из композиционного материала, прежде всего из волокнистого композиционного материала, то при этом на заготовку могут воздействовать силы или относительные смещения, которые могут повлечь за собой ухудшение качества заготовки. Такое ухудшение может быть вызвано, например, перекосом волокон. Кроме того, равномерное тепловое растяжение конструктивных деталей приспособления отчасти приводит к тому, что размеры производимой заготовки выходят за пределы заданных допусков.
Из публикации ЕР 0415207 A2 известно приспособление для формования заготовки, содержащее две концентрически расположенных конструктивных детали, причем подлежащая формовке заготовка является запрессовываемой под воздействием тепла. При этом одна из двух конструктивных деталей имеет тепловое расширение, которое в различных направлениях имеет различную величину. Зависящее от направления тепловое расширение конструктивной детали осуществляется введением в материал соответствующей конструктивной детали стекловолокна с определенной ориентацией.
Из публикации US 20090001630 A1 также известно приспособление для формования заготовки, содержащее две конструктивные детали, между которыми подлежащая формовке заготовка является запрессовываемой под воздействием тепла. При этом одна из двух конструктивных деталей, армированная углеродными волокнами, имеет тепловое расширение, которое в первом направлении имеет одинаковую величину с тепловым расширением подлежащей формовке заготовки, а во втором направлении оно больше теплового расширения подлежащей формовке заготовки. Зависящее от направления тепловое расширение конструктивной детали создается посредством заданной ориентации слоев волокон в конструктивной детали.
Из публикации WO 02/02298 A1 известно приспособление для формования заготовки с двумя концентрически расположенными армированными углеродными волокнами конструктивными деталями, причем подлежащая формовке заготовка является запрессовываемой под воздействием тепла. Тепловое расширение обеих конструктивных деталей происходит только в радиальном направлении, причем целенаправленная настройка теплового расширения достигается посредством определенной ориентации армирующих волокон.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать приспособление для формования заготовки, с помощью которого можно улучшить качество производимых заготовок за счет целенаправленной настройки теплового расширения приспособления.
Эта задача решена в приспособлении, охарактеризованном в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные формы осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В изобретении предложено приспособление для формования заготовки, содержащее по меньшей мере одну первую и вторую конструктивные детали, между которыми является запрессовываемой под воздействием тепла подлежащая формовке заготовка, причем первая и/или вторая конструктивная деталь конструктивно и/или за счет свойств материала выполнена(-ы) таким образом, что ее/их тепловое расширение в различных направлениях имеет различную величину. При этом первая и/или вторая конструктивная деталь, которая имеет различное расширение в различных направлениях, включает в себя по меньшей мере один слой пластика на углеродно-волокнистой основе, т.е. армированного углеродным волокном, и по меньшей мере один слой армированного стекловолокном пластика, и волокна по меньшей мере одного слоя пластика на углеродно-волокнистой основе и волокна по меньшей мере одного слоя армированного стекловолокном пластика ориентированы непараллельно друг другу.
За счет разработки приспособления с направленным тепловым расширением можно во время изготовления целенаправленно в определенном направлении запрессовывать заготовки, которые выполнены из волокнистого композиционного материала. За счет этого силы или относительные смещения в другом, нежелательном направлении, которые вызвали бы ухудшение производимой заготовки, могли бы быть предотвращены. Прежде всего, за счет этого можно предотвратить сцепление волокон в подлежащей изготовлению заготовке. Как результат, качество произведенной в предлагаемом приспособлении заготовки улучшено в отношении ориентации волокон и соблюдения заданных размеров. Кроме того, с помощью предлагаемого приспособления возможно изготовление или же отформовка геометрий, которые невозможно было бы изготовить с применением обычного приспособления с ненаправленным способом теплового расширения конструктивных деталей приспособления.
Целесообразным образом, первая и/или вторая конструктивная деталь, которые имеют различное расширение в различных направлениях, включают в себя слои из различных волокнистых композиционных материалов с различными коэффициентами теплового расширения. Слои, предпочтительным образом, расположены относительно друг друга таким образом и/или соединены друг с другом, что происходит тепловое расширение в одном или нескольких предпочтительных направлениях. Это означает, что соединение слоев приводит к тому, что тепловое расширение соответствующей конструктивной детали в других направлениях можно предотвратить или по меньшей мере частично минимизировать. Кроме того, предусмотрено, что слои расположены относительно друг друга таким образом и/или соединены друг с другом, что при тепловом воздействии установлена величина теплового расширения. За счет этого во время запрессовки можно целенаправленно оптимизировать воздействующие на заготовку силы в отношении соблюдения заданных размеров и ориентации волокон, если заготовка изготавливается из волокнистого композиционного материала.
Как было указано выше, первая и/или вторая конструктивная деталь, которые имеют различное расширение в различных направлениях, включают в себя по меньшей мере один слой пластика на углеродно-волокнистой основе и по меньшей мере один слой армированного стекловолокном пластика, причем волокна по меньшей мере одного слоя пластика на углеродно-волокнистой основе и волокна по меньшей мере одного слоя армированного стекловолокном пластика ориентированы не параллельно относительно друг друга. За счет конструкции приспособления из различных (армированных волокнами) материалов с различными коэффициентами теплового расширения можно целенаправленно настроить тепловое расширение и величину теплового расширения в различных направлениях. При этом целесообразно, если волокна по меньшей мере одного слоя пластика на углеродно-волокнистой основе и волокна по меньшей мере одного слоя армированного стекловолокном пластика ориентированы примерно под углом 90° относительно друг друга. За счет этого можно способствовать тепловому расширению в одном направлении и минимизировать или прекратить в направлении, перпендикулярном этому направлению.
В конкретной форме осуществления предусмотрено, что композиционный материал имеет два слоя из пластика на углеродно-волокнистой основе, между которыми расположены два слоя из армированного стекловолокном пластика, при этом все слои соединены друг с другом неразъемно и/или с геометрическим замыканием. Относительное ориентирование волокон в слоях пластика на углеродно-волокнистой основе и армированного стекловолокном пластика относительно друг друга может варьироваться в зависимости от формы производимой заготовки. Предпочтительным образом, это ориентация составляет 90° относительно друг друга.
Согласно еще одной целесообразной форме осуществления первая и вторая конструктивная деталь приспособления расположены концентрически относительно друг друга, при этом подлежащая формовке заготовка расположена между поверхностью внешнего контура первой конструктивной детали и поверхностью внутреннего контура второй конструктивной детали. При этом первая конструктивная деталь конструктивно и/или за счет свойств материала выполнена таким образом, что ее тепловое расширение в различных направлениях имеет различную величину, и что вторая конструктивная деталь имеет одинаковое тепловое расширение в различных направлениях. За счет этого подлежащая изготовлению заготовка в приспособлении запрессовывается между первой и второй конструктивной деталями без того, что происходит движение в (продольном) направлении.
Целесообразно, что для этого первая и вторая конструктивная детали выполнены в форме цилиндра, за счет чего на заготовку сила подается равномерно. Конструктивные детали не обязательно должны иметь форму цилиндра, поперечные сечения также могут быть овальными, прямоугольными и т.п.
Прежде всего в этой конкретной форме осуществления также предусмотрено, что первая конструктивная деталь имеет под воздействием тепла тепловое расширение в направлении контура. Напротив, первая конструктивная деталь под воздействием тепла не имеет расширения в аксиальном направлении. За счет этого обеспечивается запрессовка между первой и второй конструктивной деталью, при этом не происходит перемещения в аксиальном или продольном направлении.
Вторая конструктивная деталь в этой конкретной форме осуществления выполнена из однородного материала или композиционного материала. При этом целесообразно, что вторая конструктивная деталь имеет под воздействием тепла примерно одинаковое тепловое расширение в направлении контура и в аксиальном направлении. За счет этого можно увеличивать необходимую для запрессовки формуемой детали силу между первой и второй конструктивной деталью.
Предлагаемое приспособление применяется, прежде всего, для изготовления заготовки из композиционного материала, прежде всего волокнистого композиционного материала.
Далее изобретение будет объяснено подробнее на основании примеров осуществления. На чертежах показаны:
Фиг. 1 - схематическое изображение поперечного сечения предлагаемого приспособления для формования заготовки, и
Фиг. 2 - примерное, принципиальное изображение структуры первой конструктивной детали предлагаемого приспособления.
На фиг. 1 показано схематическое изображение поперечного сечения предлагаемого приспособления 10 для формования заготовки 20. Приспособление 10 имеет внутреннюю первую конструктивную деталь 11 и внешнюю вторую конструктивную деталь 12. Между поверхностью 13 внешнего контура первой конструктивной детали 11 и поверхностью 14 внутреннего контура второй конструктивной детали 12 расположена заготовка 20, выполненная, прежде всего, из волокнистого композиционного материала, которая при тепловом воздействии должна быть сформована посредством приспособления. Первая и вторая конструктивные детали 11, 12 выполнены, в качестве примера, в форме цилиндра и расположены концентрически относительно друг друга. Первая и вторая конструктивные детали 11, 12 простираются перпендикулярно плоскости листа в аксиальном направлении 51.
По меньшей мере одна из обеих конструктивных деталей 11, 12 предлагаемого приспособления выполнена таким образом, что она конструктивно и/или за счет свойств материала имеет различное тепловое расширение в различных направлениях. В описанном здесь примере осуществления первая конструктивная деталь 11 выполнена таким образом, что под воздействием тепла она имеет тепловое расширение в направлении 50 контура, но не имеет теплового расширения в аксиальном направлении 51 (то есть внутрь плоскости листа).
Это свойство первой конструктивной детали 11 достигается за счет того, что она выполнена из нескольких слоев 30, 31, 32, 33 из различных композиционных материалов, прежде всего волокнистых композиционных материалов, с различными коэффициентами теплового расширения. При этом слои 30, 31, 32, 33 расположены относительно друг друга и/или соединены друг с другом таким образом, что тепловое расширение происходит в необходимом направлении 50 контура и не происходит в нежелательном аксиальном направлении 51. За счет выбора материала структуры слоев относительно друг друга и типа соединения слоев можно при тепловом воздействии также задать значение теплового расширения первой конструктивной детали 11 в направлении контура.
В одном примере осуществления на фиг. 2 схематически изображена структура слоев первой конструктивной детали 11, которая в отделенном друг от друга изображении включает в себя четыре расположенных друг над другом слоя 30, 31, 32, 33. При этом слои 30, 33 представляют собой пластик на углеродно-волокнистой основе CFK, при этом ориентация содержащихся в нем волокон 34, 37 проходит в одинаковом направлении. CFK обозначает волокнистый пластиковый композиционный материал, в котором углеродные волока, обычно в несколько слоев, заделываются в качестве усиления в матрицу пластика. Между слоями 30, 33 расположены два слоя 31, 32 армированного стекловолокном пластика GFK, волокна 35, 36 которого расположены под углом в 90° к волокнам 34, 37 слоев 30, 33. GFK - это волокнистый пластиковый композиционный материал из пластика (например, полиэфирной смолы, эпоксидной смолы или полиамида) и стекловолокна.
За счет показанной на фиг. 2 структуры слоев для первой конструктивной детали 11 получают материал, который из-за различного выбора материала и целенаправленного расположения материалов в структуре слоев или ламината имеет различные тепловые расширения в направлении волокон 34, 37 или же 35, 36. В отличие от этого, материал с одинаковыми по всем направлениям коэффициентами теплового расширения, например, такой как CFK-ламинат с квазиизотропной структурой слоев, имеет одинаковое во всех направлениях тепловое расширение. Такая структура материала может применяться, например, для второй конструктивной детали 12 приспособления 10.
На основании подходящего выбора материала и/или конструктивного осуществления первой конструктивной детали 11 для нее при тепловом воздействии возникает тепловое расширение в направлении 50 контура. И напротив, тепловое расширение в аксиальном направлении 51 для первой конструктивной детали 11 не происходит. За счет того, что вторая конструктивная деталь 12 под воздействием тепла имеет в направлении 50 контура и аксиальном направлении 51 одинаковое тепловое расширение, то заготовка 20 запрессовывается между первой и второй конструктивной деталью 11, 12, при этом перемещение в аксиальном направлении 51 не выполняется. За счет этого можно улучшить качество заготовки 20 в отношении ее ориентации волокон и соблюдения заданных размеров по сравнению с обычными приспособлениями.
За счет применения приспособления с направленным тепловым расширением можно во время изготовления целенаправленно запрессовывать заготовки из волокнистого композиционного материала в определенном направлении. За счет этого могут быть предотвращены силы или относительные смещения в другом, нежелательном направлении, которые в ином случае вызвали бы ухудшение производимой заготовки, например перекос волокон. Кроме того, предлагаемое приспособление имеет то преимущество, что возможно изготовление или же отформовка определенных геометрий, которые невозможны с помощью обычных приспособлений, конструктивные детали которых имеют одинаковое тепловое расширение во всех направлениях.
Показанное на фиг. 1 предлагаемое приспособление 10 имеет лишь в качестве примера форму цилиндра. Предлагаемое приспособление с первой и второй конструктивной деталью 11, 12 принципиально может иметь любую форму для формования заготовки.
Также показанная на фиг. 2 последовательность нескольких слоев из различных волокнистых композиционных материалов является только примером. Может применяться также и другое количество слоев для предоставления первой и/или второй конструктивной детали 11, 12. Также может применяться различное количество слоев пластика на углеродно-волокнистой основе и слоев армированного стекловолокном пластика. Кроме того, расположение слоев пластика на углеродно-волокнистой основе и слоев армированного стекловолокном пластика может быть осуществлено иным способом.
Показанная на фиг. 2 ориентация волокон под 90° слоев, состоящих из пластика на углеродно-волокнистой основе, и слоев, состоящих из армированного стекловолокном пластика, также является только примером. Волокна также могут быть ориентированы под иным, чем 90° углом. Ориентация волокон зависит от того, в каких направлениях должно выполняться тепловое расширение, и в каких направлениях оно должно не выполняться.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 Приспособление
11 Первая конструктивная деталь
12 Вторая конструктивная деталь
13 Поверхность внешнего контура первой конструктивной детали
14 Поверхность внутреннего контура второй конструктивной детали
20 Заготовка
30 Слой волокнистого композиционного материала
31 Слой волокнистого композиционного материала
32 Слой волокнистого композиционного материала
33 Слой волокнистого композиционного материала
34 Волокна слоя 30
35 Волокна слоя 31
36 Волокна слоя 32
37 Волокна слоя 33
50 Направление контура
51 Аксиальное направление