Оптимизация технологии изготовления материала для процесса автоматизированной выкладки

УДК 678.01:539.3/.4

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПРОЦЕССА

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ВЫКЛАДКИ

М.Ю. Воскобойник, О.А. Караева, А.М. Кудрин, Д.В. Полухин, А.А. Лялин

В данной статье рассмотрены технологические процессы получения препрегов на основе растворных и расплавных связующих. С учётом требований, предъявляемых к свойствам материала, адаптированного для автоматизированной выкладки с использованием комплекса выкладки MAG Viper 1200, выбраны исходные армирующие наполнители и полимерные связующие растворного и расплавного типа. Отработаны оптимальные режимы получения препрега на основе однонаправленных углеродных лент с использованием нитей Formosa TC-35 12K, а также углеродных лент марок ЛУ/П и УОЛ-ЗООР с применением растворного связующего марки ЭНФБ и расплавных клеевых связующих марок Т-6815 и Т-107. В процессе отработки режимов изготовления адаптированного технологического материала получены партии препрега по каждому режиму и проведены исследовательские испытания их физико-механических свойств на соответствие заданным эксплуатационным характеристикам выбранного класса материалов авиационного назначения.

Исследовательские испытания позволили собрать массив теоретических данных, позволяющих установить связь между прочностными свойствами партий технологического материала и входными управляемыми параметрами процесса пропитки. Полученные данные послужили основой для создания математической модели технологического процесса получения технологического материала с заданными эксплуатационными свойствами.

В результате проведенной работы разработан оптимальный технологический процесс изготовления материала (препрега) для процесса автоматизированной выкладки и определены материалы, обладающие наилучшей технологичностью для последующей переработки с целью их адаптации согласно требованиям, предъявляемым для комплексов выкладки на примере установки MAG Viper 1200

Ключевые слова: препрег, автоматизированная выкладка, технология изготовления, растворное и расплавное связующее, полимерные композиционные материалы, технологичность

массы несущей конструкции, без снижения прочностных характеристик.

В авиастроении изготовление изделий из ПКМ на основе препреговой технологии является одним из перспективных направлений производства. Применение препрегов позволяет изготавливать агрегаты сложной конфигурации за одну технологическую операцию, что обеспечивает сокращение технологического цикла производства, трудоёмкости и энергоемкости. В конструкциях современных самолётов доля ПКМ может достигать пятидесяти процентов, и производители стремятся ее увеличить.

Долгое время изготовление изделий по препреговой технологии осуществлялось с применением ручной выкладки, но в условиях растущей конкуренции и необходимости массового производства крупногабаритных ответственных изделий из ПКМ возникает потребность в применении оборудования автоматизированной выкладки. Переход от ручной к автоматизированной выкладке позволит повысить качество получаемых деталей, существенно сократить трудоемкость их изготовления, увеличить точность и повторяемость технологического процесса выкладки (снизить брак), повысить коэффициент используемого технологического материала (препрега) и, как следствие, сократить себестоимость готового изделия.

Несмотря на все преимущества использования оборудования для автоматизированной выкладки, единичность их применения в авиационной отрасли связана не столько с высокой стоимостью комплексов, как с отсутствием отечественных материалов, адаптированных для

Введение

Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ) обладают уникальными характеристиками, такими как прочность, легкость и стойкость к условиям окружающей среды, что обусловило их применение при производстве легких и сверхлегких высоконагруженных изделий и конструкций в различных областях промышленности.

Широкое применение композиционных материалов наблюдается в авиационной и ракетно-космической отрасли промышленности. Кроме того, ПКМ на основе наполнителей из стекло- и углеволокна являются перспективными

материалами для применения в области альтернативной энергетики при проектировании и производстве лопастей ветрогенераторов и подложек солнечных батарей. Такое обширное применение обусловлено стремлением увеличить долю полезного переносимого веса, путем снижения

Воскобойник Максим Юрьевич - НВЛ «Композиционные материалы» НОЦ «ИТА» ВГТУ, инженер, тел. 8(950) 7617667

Караева Оля Анатольевна - НВЛ «Композиционные материалы» НОЦ «ИТА» ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник, тел. 8(909)2111260 Кудрин Алексей Михайлович - НВЛ «Композиционные материалы» НОЦ «ИТА» ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией, тел. 8(951) 5569251 Полухин Денис Вадимович - НВЛ «Композиционные материалы» НОЦ «ИТА» ВГТУ, инженер, тел. 8(951) 5651235

Лялин Александр Анатольевич - ПАО «ВАСО», заведующий лабораторией, тел. 8(904) 2125026

автоматизированных процессов, обладающих достаточной технологичностью для эффективной их переработки комплексами типа MAG Viper. К тому же уровень приобретенных российскими инженерами и технологами компетенций в последнее время достаточен для осуществления процесса перевода сложных композиционных структур на автоматизированную выкладку. Этому способствует в частности наличие широкого спектра программного обеспечения, позволяющего производить эффективное программирование сложных форм композита.

В настоящее время рынок композиционных материалов представляет достаточно широкую номенклатуру препрегов с возможностью применения при производстве конструкций с различными условиями эксплуатации, однако каждый вид материала требует отработки технологического процесса выкладки и зачастую не всегда удовлетворяет критериям технологического оборудования. Вопрос в адаптации существующего технологического материала и в разработке технологии его изготовления для

автоматизированной выкладки является самым главным в технологическом цикле производства готового изделия.

При разработке технологии изготовления технологического материала для процесса автоматизированной выкладки необходимо подобрать исходные материалы - армирующий наполнитель, полимерную матрицу (связующее) и технологическую подложку. Подбор материалов происходит с учётом особых требований, предъявляемых к качеству препрегов по прочности, размерной точности и стабильности свойств.

Большинство требований удается выполнить путем использования углеродных волокон, имеющих близкий к нулевому значения коэффициент термического расширения и высокие прочностные характеристики.

Для метода автоматизированной выкладки, как правило, используют препреги на основе однонаправленных лент (без поперечной уточной нити) для обеспечения точности последующей порезки материала на тонкие жгуты требуемой ширины. Порезка препрега осуществляется вдоль направления нитей основы, без перерезания углеродных волокон [1].

Связующее подбирается таким образом, чтобы получаемый препрег обладал достаточной липкостью и драпируемостью. Уровень липкости определяет возможность удержания препрега на оснастке при выкладке и последующем формовании, а драпируемость определяет эластичность и гибкость препрега и характеризует возможность его выкладки на оснастку любой сложности. Во избежание пористости получаемого изделия с последующим ухудшением механических характеристик необходимо уменьшить содержание растворенной влаги в препреге [2].

Технологическую подложку подбирают с учётом того, чтобы она легко отделялась от

препрега при любой температуре и скорости выкладки, но при этом не отделялась самостоятельно при порезке и перемотке препрега.

Подводя итог вышеизложенному - переход к методу автоматизированной выкладки связан с необходимостью создания и отработки технологического процесса получения препрега обладающего всеми необходимыми свойствами и соответствующего требованиям, предъявляемым к технологическому материалу, используемому на конкретном оборудовании.

С учётом конструкционных и технологических требований с целью разработки технологии изготовления технологического материала для процесса автоматизированной выкладки на примере применения на комплексе MAG Viper 1200 были выбраны ряд исходных материалов для исследовательских испытаний разрабатываемой технологии. В качестве армирующего наполнителя были выбраны углеродная однонаправленная лента на основе нитей Formosa TC-35 12K с утком ВМПС и безутковая лента на основе нитей Formosa TC-35 12K, а также углеродные ленты марок ЛУ/П и УОЛ-300Р широко применяемые в промышленности. В качестве полимерной матрицы использовали связующее расплавного типа марок Т-6815 и Т-107, а также связующее на растворной основе марки ЭНФБ.

Методика эксперимента

Все исходные материалы подвергались входному контролю для проверки соответствия контрольных параметров значениям, указанным в сопроводительной нормативно технической документации (НТД). Перечень испытаний для проведения входного контроля специфичен и определялся для каждого вида выбранных материалов отдельно в соответствии с НТД.

Отработка технологических режимов изготовления препрегов на растворной и расплавной полимерной основе проводилась на опытном технологическом комплексе пропитки COS.T.A. Комплекс пропитки (пропиточная линия) позволяет осуществлять пропитку армирующего материала полимерным связующим различными методами, что позволяет получать технологический материал с применением различных технологий без перестройки рабочих модулей и управляющих систем.

В процессе отработки технологических режимов получения препрегов на растворной основе применялась пропитка путем пропускания наполнителя через ванну с полимерным составом. Схема получения материала представлена на рис. 1.

При заправке линии углеродный материал 1 помещался на размотчик Р1, пропускался через систему валков и каландров, проходил через ванну с растворным связующим 2. Затем пропитанная углеродная лента отжималась на каландрах К2 проходила через ИК-печь 4, где при определенном температурном режиме производилось

регулирование количества растворителя путём

удаления его паров (процесс сушки) и затем подсушенный липкий технологический материал (препрег) накладывался на технологическую подложку 3. Далее, на узле контроля качества 7, в реальном времени производился контроль наноса связующего в препреге системой QMS-12 МА^О, после чего материал запаковывался, наматывался в рулон 9, маркировался и поступал на хранение [3].

Рис. 1. Технологическая схема получения препрегов на основе растворных связующих на комплексе пропитки СО8.Т.А:

1 - углеродная лента, 2 - ванна с растворным связующим, 3 - отжимные валы (К2), 4 - ИК-печь, 5 - технологическая подложка, 6 - вспомогательный материал, 7 - система контроля качества препрега рМБ-12 МА^О, 8 -упаковочный материал, 9 - рулон препрега, Р1-Р7 -размотчики, Н1-Н4 - намотчики, К1-К7 - каландры

При отработке технологических режимов получения препрегов на основе расплавных связующих происходил перенос расплавленного клеевого состава на бумажную подложку, затем состав совмещался с армирующим материалом, после чего, при прохождении через систему горячих валов, происходила пропитка. Схема получения материала представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое изображение заправки ленты и вспомогательных материалов: 1 - дозирующие валы, 2 - ламинирующий вал, 3 - ИК-печь, 4 - нагревательная панель, 5 - охлаждающий стол, 6

- система контроля качества препрега рМБ-12 МА^О, 7

- связующее, 8 - углеродная лента, 9 - бумага, 10 -пленка, Р1-Р7 - размотчики, Н1-Н4 - намотчики, К1-К7 -каландры

При заправке линии на размотчиках Р3 и Р2 помещались рулоны антиадгезионной бумаги, нижний из которых выступал в роли подложки для расплавленного клеевого состава, наносимого путём переноса при прохождении через ламинирующий вал. Рулон углеродного материала 8 помещался на размотчик Р1, пропускался через систему валков и накладывался на подложку с расплавленным клеевым составом, а также закрывался верхней бумагой при прохождении через каландры К1.

Далее углеродная лента, составленная с клеевым составом между слоями антиадгезионной бумаги, проходила через горячие каландры К4, К5 и нагревательную панель 4, где происходило подплавление клеевого состава и пропитывание им углеродного наполнителя. Затем пропитанный материал охлаждался путём обдува на столе 5, после чего происходил съём и смотка верхней бумаги и контроль наноса связующего на системе контроля качества препрега QMS-12 MAHLO. После прохождения контроля материал закрывался плёнкой 10 и наматывался на конечном намотчике Нк. По завершении процесса пропитки рулон полученного материала маркировался и передавался на хранение.

В процессе получения препрега производился экспресс-анализ среднего значения поверхностной плотности и содержания связующего технологического материала. Для материала на основе растворного связующего кроме приведенных характеристик проводится контроль летучих компонентов. Образцы препрега для экспресс-анализа брались путем вырубки в начале, в середине и в конце ленты получаемой по одному режиму.

Отработка технологического процесса получения оптимального технологического материала происходила путем изменения технологических параметров, которые оказывали влияние на характеристики конечного материала. Совокупность значений установленных

технологических параметров принималась за отдельный отрабатываемый технологический режим, а препрег, полученный по этому режиму, принимался за отдельную партию.

В процессе отработки оптимального режима получения материала варьировались такие управляющие параметры, как зазоры каландров, скорость линии и калибровка скорости вращения ламинирующего вала относительно скорости линии. Изменения технологических параметров при отработке оптимального режима на примере получения препрега на основе безутковой углеродной ленты Formosa TC-35 12K и связующего T-107 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Выборка режимов получения препрега на основе безутковой ленты Formosa TC-35 12K и связующего T-107

№ Скорость линии м/ми н Зазор в ламинирующих валах, мкм Калибровка ламинирующего вала, % Поверхностная плотность, г/м2 Определение содержания связующего в препреге, %

1 0,55 67,5 -33 273 27,5

2 0,65 116,5 -27 304,9 35

3 0,85 151,5 -35 339,4 41,7

4 1,05 137,5 -47 319,1 37,9

5 1,35 95,5 -37 275,3 28,1

6 1,65 60,5 -29 262,9 24,7

От каждой партии полученного препрега отбирались пробы, которые передавались на участок формования, где изготавливались пластины методом прямого прессования и вырезались элементарные образцы для проведения сравнительных физико-механических испытаний. Направление выкладки технологического материала и количество слоев выбиралось согласно методикам, разработанным на основе стандартов ASTM, и требованиям к технологическому материалу указанными в НТД.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к технологическому материалу, разрабатываемому для получения изделия методом автоматизированной выкладки, проводились физико-механические испытания на определение предела прочности при растяжении, сжатии, сдвиге в плоскости листа и межслоевом сдвиге. Испытания на растяжение и сжатие проводилось на образцах с ориентацией выкладки слоев вдоль направления волокон. Все испытания проводились при нормальных условиях.

Собранный массив данных при отработке оптимального режима получения технологического материла для каждой комбинации исходных материалов, послужил основой для создания математической модели технологического процесса изготовления материала (препрега) с заданными эксплуатационными параметрами [4].

Результаты и обсуждения

Разработка оптимального технологического режима изготовления технологического материала сопровождалась проведением исследовательских испытаний экспериментальных образцов. Комплекс физико-механических испытаний был проведен для каждого отработанного режима изготовления препрега (для каждой партии материала). Результаты испытаний по каждой из партий, показавшие наилучшие значения выходных показателей, представлены в табл. 2.

Из полученных данных физико-механических испытаний следует, что экспериментальные образцы ПКМ, полученные на основе препрегов с применением растворных связующих (в частности ЭНФБ) обладают достаточно высокими прочностными характеристиками по всем видам испытаний, но существенно уступают образцам ПКМ, полученным на основе расплавных клеевых связующих, особенно в технологичности материалов для дальнейшей переработки и адаптации для комплекса автоматизированной выкладки.

Материал, полученный с использованием углеродной однонаправленной безутковой ленты на основе нитей Formosa TC-35 12K пропитанной расплавным связующим T-6815 обладает достаточно высокими прочностными свойствами, однако анализ органолептических параметров показал, что данный препрег очень липкий и достаточно сложно отделяется от технологической подложки, что не соответствует требованиям, предъявляемым к

материалу, разрабатываемому для процесса автоматизированной выкладки.

Наиболее высокие прочностные

характеристики были получены при сочетании углеродной ленты на основе нитей Formosa 12K со стеклянным утком ВМПС и расплавного связующего на эпоксидной основе Т-107. Однако наличие уточной нити при порезке материала приводит к смещению и перерезанию нитей основы, короблению, сминанию и другим дефектам, что говорит о низкой технологичности материала для метода автоматизированной выкладки

Таблица 2

Результаты исследовательских испытаний

Наименование углепластика ПКМ Ор и Ер, МПа/ ГПа

ЛУ/П + ЭНФБ 1060,64/ 180,92 819,2 66,22/ 16,91 43,9

УОЛ-ЗООР + ЭНФБ 1719,09/ 146,39 510,8 144,80/ 22,30 52,3

Безутковая лента на основе нитей Formosa TC-35 12K + T-6815 1871,66/ 112,66 1133,5 112,66/ 4,10 93,3

Безутковая лента на основе нитей Formosa TC-35 12K + T-107 1887,21/ 135,56 1004.7 154,27/ 15,69 60,4 1

Лента на основе Formosa TC-35 12K/ ВМПС + Т-107 1914,24/ 158,95 1201,8 171,56/ 22,28 90,7

о, МПа - предел прочности при растяжении и сжатии; Е, ГПа -модуль упругости при растяжении; т12, МПа - предел прочности при сдвиге в плоскости листа; G12, ГПа - модуль сдвига; т13, МПа - предел прочности при межслоевом сдвиге.

Исходя из особых требований, предъявляемых материалу для автоматизированной выкладки использование в качестве препрега углеродной однонаправленной безутковой ленты на основе нитей Formosa TC-35 12K пропитанной расплавным связующим T-107 значительно упростил процесс порезки и выкладки материала, благодаря отсутствию уточной нити. Анализ органолептических параметров показал, что препрег обладает умеренной липкостью, что позволяет легко отделять технологическую подложку во время процесса выкладки материала, не происходит налипания и наволакивания. Таким образом, это сочетание может быть наиболее предпочтительным при изготовлении изделия методом автоматизированной выкладки.

Заключение

При разработке технологии изготовления технологического материала для процесса

автоматизированной выкладки проведена отработка оптимального режима получения препрега, удовлетворяющего требованиям осуществления автоматизированной выкладки с применением комплекса MAG Viper 1200.

На основе полученных партий технологического материала проведены

исследовательские испытания физико-механических характеристик элементарных образцов ПКМ. Анализ полученных данных показал, что применение препрегов на растворной основе в качестве основных материалов для получения изделий из ПКМ с заданными эксплуатационными характеристиками не эффективно, ввиду низких прочностных характеристик, по сравнению с образцами на основе расплавного связующего Т-107. Кроме того, наличие летучих компонентов в препрегах на основе растворного связующего может приводить к пористости выкладываемого изделия. Сравнение органолептических свойств препрегов позволило сделать вывод о лучшей технологичности материала на основе расплавных связующих, такого как Т-107.

Разработана оптимальная технология изготовления технологического материала для процесса автоматизированной выкладки и получен материал, наиболее удовлетворяющий требованиям

осуществления процесса выкладки с применением комплекса MAG Viper 1200.

Литература

1. Технологические особенности получения материала для средств автоматизированной выкладки на примере MAG VIPER 1200 / М.Ю. Воскобойник, О.А. Караева, А.М. Кудрин, Д.В. Полухин // Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2015. - Т. 11. - №1. - С. 8-10

2. Гусев Ю.А. Особенности препрегов для автоматизированной выкладки методами ATL и AFP / Ю.А. Гусев, А.В. Борщев, А.В. Хрульков // Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ». - 2012. - №3. - Ст. 06 (viam-works.ru).

3. Технология получения и физико-химические свойства препрегов ЛУ-П-0,1 + ЭНФБ и углепластиков на их основе / О.А. Караева, А.М. Кудрин, А.В. Калгин, О.В. Овдак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 6. - С. 60-62.

4. Prediction of polymer composite material products using neural networks / A.V. Gaganov, O.A Karaeva, A.M. Kudrin, A.V. Kretinin, A.A. Gurtovoy // International Conference on Innovative Material Science and Technology. 2016. P. 398-405.

НВЛ «Композиционные материалы» НОЦ «Инновационные технологии в авиастроении» Воронежского государственного технического университета ПАО «Воронежское акционерное самолётостроительное общество»

DEVELOPING TECHNOLOGY FOR THE PRODUCTION OF THE MATERIAL

FOR THE AUTOMATED LAYOUT

M.Yu. Voskoboynik1, O.A. Karaeva2, A.M. Kudrin3, D.V. Polukhin4, A.A. Lyalin5

'Engineer, NVL "Composite Materials" of the Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,

e-mail: mukluyd@gmail.com

2PhD, Researcher, NVL "Composite Materials" of the Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail:

olgakaraeva9@mail.ru.

3PhD, Head of the NVL "Composite Materials", Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail:

kudrin. ru@gmail. com.

^Engineer, NVL "Composite Materials" of the Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,

e-mail: karapusha.89@mail.ru.

5Head of the Laboratory, Voronezh Joint-Stock Aircraft Building Company, Voronezh, Russian Federation,

e-mail: lyalin.aa@yandex.ru

In this article, technological processes of obtaining prepregs with the use of solution and melt binders are considered. Taking into account the requirements for the properties of the material used for automated computation using the MAG Viper 1200 complex as an example, initial reinforcing fillers and polymer binders of solution and melt type have been chosen. Optimum regimes for the preparation of a prepreg based on unidirectional carbon tapes using Formosa TC-35 12K yarns as well as LU/P and U0L-300R carbon tapes using the ENFB solvent binder and hot-meltepoxy T-6815 and T-107 have been worked out. In the process of working out the modes of obtaining the material, batches of prepreg have been obtained for each mode and research tests of physical and mechanical properties were carried out.

An array of data has been collected for changing the properties of the obtained batches of prepreg for each mode when the control parameters are changed. The obtained data served as the basis for creating a mathematical model for obtaining a technological material with specified properties.

As a result of the research tests, the technology of manufacturing of the technological material was developed and materials were identified that best meet the requirements for the automated calculation process using the example of the MAG Viper 1200 complex

Key words: prepreg, automated calculation, manufacturing technology, solution and melt binder, polymer composite materials, processability

References

1. Voskoboinik M.Yu., Karaeva O.A., Kudrin A.M., Polukhin D.V. «Technological features of obtaining a material for automated calculation tools on the example of MAG VIPER 1200», Bulletin of Voronezh State Technical University, 2015, Vol. 11, №1, pp. 8-10.

2. Gusev Yu.A., Borshchev A.V., Khrulkov A.V. «Peculiarities of prepregs for automated calculations using ATL and AFP methods» Electronic scientific journal "WORKS OF VIAM", 2012, No. 3. - Art. 06 (viam-works.ru).

3. Karaeva O.A., Kudrin A.M., Kalgin A.V., Ovdak O.V. «Technology of production and physicochemical properties of prepregs LU-P-0.1 + ENPB and carbon-based plastics on their basis», Bulletin of Voronezh State Technical University, 2012, Vol. 8, No. 6, pp. 60-62.

4. Gaganov A.V., Karaeva O.A., Kudrin A.M., Kretinin A.V., Gurtovoy A.A. «Prediction of polymer composite materials using neural networks», International Conference on Innovative Material Science and Technology, 2016, pp. 398-405.