Разработка технологии автоматизированной выкладки полимерного композиционного материала

УДК 678.01:539.3/.4

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ВЫКЛАДКИ ПОЛИМЕРНОГО

КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

К.С. Габриельс, О.А. Караева, А.М. Кудрин, Д.В. Полухин

В статье представлены результаты исследовательских испытаний по разработке технологии автоматизированной выкладки полимерного композиционного материала на основе безуткового армирующего наполнителя из нитей Formosa TC-35 12K и полимерного эпоксидного связующего Т-107 для высокотехнологичного комплекса автоматизированной выкладки MAG Viper 1200. Решены задачи по переработке препрегового материала под технические требования использованного комплекса выкладки (порезка и перемотка лент), разработаны и отработаны технологические режимы автоматизированной выкладки экспериментальных плоскопараллельных образцов и проведен комплекс их физико-механических испытаний. На основании полученных значений прочностных характеристик материала выбран оптимальный технологический режим автоматизированной выкладки с соответствующими величинами управляющих параметров выкладки (давление ролика, температура нагрева оснастки, натяжение препрега) и режимов формования образцов (температура формования, давление формования, время формования). Построена математическая модель технологического процесса автоматизированной выкладки, которая позволяет проводить прогнозирование и оценку влияния управляющих параметров выкладки на прочностные характеристики материала

Ключевые слова: углеродная однонаправленная лента, препрег, полимерные композиционные материалы, технологичность, автоматизированная выкладка, технология

Введение

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Сочетание высоких физико-механических характеристик и малый вес обеспечивает значительную конкурентоспособность ПКМ традиционным конструкционным материалам - металлам и их сплавам. Наиболее востребованы ПКМ оказались в авиакосмической сфере. Тенденции развития современной авиационной отрасли задают новые, высокие требования, предъявляемые к качеству, точности и повторяемости изготовления деталей, повышению технологичности производственных процессов, сокращению трудоемкости и повышению производительности. В связи с этим, автоматизация процессов при работе с композиционными материалами является одной из самых актуальных задач при создании современного высокотехнологичного производства изделий из ПКМ. Высокотехнологичные комплексы систем автоматизированной выкладки лент Automated Tape Laying (ATL) и автоматизированная выкладка волокон Automated Fiber Placement (AFP) [1]

Габриельс Константин Сергеевич - НВЛ «Композиционные материалы» НОЦ «ИТА» ВГТУ, инженер-исследователь, тел. 8(951) 5444559 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

позволяют изготавливать элементы и детали различной сложности с высокой точностью и плотностью укладки волокна, обеспечивая при этом хорошую повторяемость и скорость выкладки. Однако комплексной проблемой автоматизации технологического процесса выкладки

композиционных материалов являются отсутствие адаптированного технологического сырья и технические сложности его изготовлении. Низкая технологичность существующих отечественных материалов не позволяет применять их напрямую для комплексов автоматической выкладки без предварительной адаптации и отработки оптимальных технологических режимов

изготовления и подготовки материалов. К тому же технологические особенности предварительных операций подготовки материала к процессу выкладки накладывают определенные ограничения к материалу сырья (препрегу) [2].

Основная задача настоящей работы заключалась в исследовании и разработке технологического процесса автоматизированной выкладки на примере технологического материала (препрега) на основе армирующего материала Formosa TC-35 12K и полимерного связующего Т-107 на эпоксидной основе, а также его адаптации под специфику установки автоматизированной выкладки MAG Viper 1200 путем проведения комплекса исследовательских испытаний:

- разработка основных технологических принципов (технических ограничений);

- разработка и отработка управляющей программы и технологических режимов выкладки материала на комплексе MAG Viper 1200;

- адаптация технологического материала к использованию на комплексе автоматизированной выкладки MAG Viper 1200;

- проведение физико-механических испытаний материала с целью последующей корректировки технологического процесса выкладки и сравнения с прочностными характеристиками материала полученного ручной выкладкой;

- разработка математической модели технологического процесса выкладки материала.

Исследования проводились в рамках федеральной целевой программы при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

Методика эксперимента

Основные исследовательские испытания были направленны на разработку и отработку технологии автоматизированной выкладки полимерного композиционного материала на примере материала Formosa TC-35 12K + полимерное связующее Т-107. Выбранный для исследовательских работ композиционный материал изготавливался по препреговой технологии, с применением комплекса пропитки COS.T.A., и представлял собой безутковую ленту шириной 300 мм на основе нитей Formosa TC-35 12K, пропитанную эпоксидным связующим Т-107. Такая ширина препрега обусловлена рядом технологических особенностей пропиточного комплекса (ширина рабочей зоны до 450 мм), однако, является наиболее оптимальной для современного потребителя - она соответствует ширине большинства армирующих материалов аналогов зарубежного производства. Применяемые в качестве исходного сырья тонкие углеродные ленты в системе автоматизированной выкладки MAG Viper 1200, имеют номинальную ширину 6,35 мм, что обусловлено технологическими ограничениями данного комплекса, поэтому одной из задач по адаптации выбранного материала к техническим требованиям комплекса выкладки, являлась порезка препрега и перемотка полученных жгутов на катушки [3]. Весь комплекс проведенных исследовательских работ по адаптации материала, разработке технологических режимов

автоматизированной выкладки материала и проверки его на технологичность можно разделить на несколько ключевых этапов.

1) Разработка и отработка технологических процессов порезки и перемотки препрега на ленты.

На первой стадии подготовки выбранного полимерного композиционного материала к использованию на комплексе автоматизированной выкладки проводились работы по разработке и отработке технологического процесса порезки препрега шириной 300 мм на отдельные жгуты шириной 6,35 мм и перемотка полученных лент на индивидуальные бобины (диафильмы), с применением станка размотки и нарезки «CDI Slitter» CD-8265GX. На рис. 1 представлена схема размотки полотна препрега, нарезка его на ленты и движения лент при намотке их на бобины (диафильмы).

Второй стадией переработки материала являлся процесс перемотки полученных при порезке

препреговых лент с диафильмов на шпули, с использованием станка SAHM 460ХЕ. Схематически устройство станка представлено на рис. 2.

Рис. 1. Схема нарезки полотна препрега на ленты: 1 - рулон препрега, 2 - направляющий вал, 3 - блок удаления кромок полотна, 4 - сброс материала, 5 -панель управления, 6 - блок разделения подложки и материала для порезки, 7 - вал распускания лент препрега, 8 - бобина размотки

Рис. 2. Схема станка SAHM 460XE: 1 - блок размотки и отделения подложки материала, 2, 3 - блок намотки, 4 - панель настройки процесса смотки, 5 - блок управления процессом смотки, 6 -стойка ЧПУ

Полученные катушки с углеродными лентами шириной 6,35 мм (жгуты) представляли собой исходный материал для комплекса автоматизированной выкладки MAG Viper 1200.

2) Разработка управляющих программ выкладки плоскопараллельных экспериментальных образцов на комплексе MAG Viper 1200.

В ходе исследовательских работ, для комплекса выкладки MAG Viper 1200 в программной среде Fibersim, были разработаны управляющие программы выкладки

экспериментальных монолитных и многослойных плоскопараллельных образцов. При создании управляющих программ укладки лент для каждой партии пластин образцов (в партии четыре пластины для пяти видов механических испытаний), учитывались изменения параметров станка, с целью их оптимизации для исследуемого материала. К параметрам оптимизации относились: давление

ролика, температура воздушного потока подогрева оснастки.

3) Заправка комплекса MAG Viper 1200 основными и вспомогательными материалами, проведение подготовительных работ.

Рис. 3. Схема заправки станка VIPER 1200 технологическим материалом (углеродными жгутами шириной 6,35 мм): 1 - шпулярник, 2 - трубка отвода подложки 3, 4 -разворотный ролик, 5 - направляющий барабан, 6, 7 - ролики компенсации движения головы, 8 - ролики четных лент, 9 - ролики нечетных лент, 10 -ведомые ролики протягивающего механизма, 11 -ведущий вал протягивающего механизма, 12 -ролики укладки препрега

Процесс подготовки комплекса MAG Viper 1200 к выкладке включал в себя заправку станка полученными упаковками лент (жгутов), монтаж специального универсального приспособления (оснастки) и загрузку разработанных управляющих программ в блок управления. Схематически заправка комплекса технологическим материалом представлена на рис. 3.

4) Разработка и отработка технологического процесса выкладки плоскопараллельных образцов полимерного материала.

Непосредственно процесс выкладки представлял собой автоматическую укладку углеродных лент (жгутов) на поверхности специального приспособления, в соответствии с технологическими режимами и параметрами выкладки, заданными в управляющих программах (рис. 4).

Рис. 4. Процесс автоматизированной выкладки однослойной пластины ПКМАВ

В ходе отработки технологического процесса выкладки образцов, были получены экспериментальные однослойные и многослойные плоскопараллельные пластины, для проведения исследовательских испытаний физико-

механических свойств полученного материала и конструкций. Изготовленные образцы после выкладки упаковывались в вакуумный пакет и помещались в камеру автоклава фирмы Scholz, для проведения процесса температурного формования. Режимы температуры, давления и времени формования задавались с учетом физико-химических свойств связующего и геометрических размеров пластин.

5) Физико-механические испытания полученных образцов однослойной и многослойной структуры.

Из сформованных пластин и панелей были изготовлены элементарные образцы и проведены их физико-механические испытания по определению предела прочности материала при сжатии (в том числе и после удара), растяжении, сдвиге в плоскости листа и отрыве обшивки от сотового заполнителя. Комплекс испытательных

мероприятий осуществлялся с применением современного высокоточного оборудования марки Instron и специальных приспособлений (испытательных оснасток), в соответствии со стандартами ASTM.

Результаты и обсуждения

Разработка и отработка технологического режима изготовления адаптированного материала, с применением опытно-технологического комплекса пропитки C.O.S.T.A, позволила получить препрег высокого качества, необходимую величину наноса и равномерность пропитки связующим наполнителя. Применение безуткового армирующего наполнителя в изготовлении препрега позволило исключить комплекс проблем, связанный с порезкой и перемоткой, с формированием некачественной кромки среза ленты в местах расположения утка, а также полным или частичным его перерезанием; хорошие реологические и температурные свойства выбранного полимерного связующего обеспечили оптимальную липкость материала. В ходе отработки технологического процесса порезки изготовленного препрега на ленты заданной шириной кромка реза ленты не имела дефектов, отсутствовало коробление пленочной подложки и слипание соседних лент при перемотке на шпули.

Применение набора управляющих программ для комплекса выкладки MAG Viper 1200 позволило отработать технологические режимы получения экспериментальных образцов полимерных композиционных материалов, и выбрать оптимальные параметры процесса

автоматизированной выкладки, среди широкого диапазона их значений. В ходе исследовательских работ по разработке и отработке технологических режимов выкладки образцов на примере

исследуемого материала, было установлено, что наиболее оптимальная температура выкладочной головки автоматизированного комплекса должна составлять 60 - 80 °С, а давление прижимного ролика должно варьироваться в интервале от 5 до 15 кгс/см2. Разработка и отработка технологических режимов с такими оптимальными параметрами позволила избежать возникновения дефектов (отслаивание укладываемых слоев, налипание лент на укладывающий ролик, образование складок материала) в процессе автоматизированной выкладки.

В ходе отработки технологического процесса выкладки образцов, были получены экспериментальные однослойные и многослойные плоскопараллельные пластины, для проведения исследовательских испытаний физико-

механических свойств полученного материала и конструкций.

Из сформованных пластин были изготовлены элементарные образцы для проведения соответствующих видов физико-механических испытаний. В ходе исследований были определены пределы прочности и модули сдвигов материала при испытании на растяжении в направлении 0°, сдвиге в плоскости листа, сжатии, сжатии после удара, межслоевом сдвиге и отрыве клеевого соединения сотового заполнителя от обшивки. Результаты физико-механических испытаний образцов, полученных в соответствии с различными вариациями входных параметров выкладки, были проанализированы и сделаны выводы о наиболее оптимальном технологическом режиме выкладки и формовании. Наилучшие прочностные

характеристики имели образцы, полученные в соответствии с технологическим режимом, управляющие параметры выкладки которого имели следующие значения:

- давление ролика, кгс/см2: 13,65;

- температура формования, °С: 170;

- давление формования, кгс/см2: 3;

- время формования, мин.: 210;

- температура окружающей среды, °С: 24,5;

- влажность воздуха, %: 22;

- температура нагрева оснастки, °С: 60;

- натяжение препрега, Н: 1,11.

Результаты физико-механических испытаний образцов, полученных с использованием указанных управляющих параметров, представлены в таблице.

Результаты физико-механических испытаний образцов

Предел прочности (при Тком), МПа Модуль упругости (при Тком), ГПа Предел прочности при сжатии (при Тком), МПа Предел прочности (сдвиг в плоскости листа), МПа

2097,58 146,92 986,3 176,32

Модуль упругости (сдвиг в плоскости листа), ГПа Предел прочности (межслоевой сдвиг), МПа Предел прочности при отрыве от сот, МПа -

15,97 87,93 7,35 -

Значения пределов прочности и модулей упругости, полученные в результате физико-механических исследований образцов, позволили определить наиболее оптимальные значения входных управляющих параметров выкладки, для выбранного в рамках работ материала, а также провести сравнительный анализ прочностных характеристик образцов, полученных в автоматическом и ручном режиме. Результаты подобного анализа позволили сделать вывод, что у образцов, полученных с использованием комплекса автоматизированной выкладки, значения прочностных характеристик не хуже, чем у образцов, изготовленных с помощью выкладки вручную, а для некоторых видов испытаний (в частности растяжение в направлении 0°) величины предела прочности и модуля упругости превосходят аналогичные на 10 %.

Одновременно с решением практических задач - исследовательские испытания технологического процесса подготовки материала,

автоматизированной выкладки и физико-механических испытаний полученных образцов ПКМАВ, была решена и теоретическая задача -создана математическая модель технологического процесса автоматизированной выкладки. Данная модель позволяет проводить оценку влияния управляющих параметров (температура

формования, время формования давление формования, давление прижимного ролика) на прочностные характеристики образцов, что обеспечивает получение образцов ПКМАВ с заданными эксплуатационными характеристиками и позволяет снизить финансовые и временные затраты при изготовлении изделий [4]. Математическая модель была разработана на основе результатов исследовательских работ по разработке и отработке технологических процессов автоматизированной выкладки композиционного материала Formosa TC-35 12K + полимерное связующее Т-107 и значениях прочностных характеристик экспериментальных образцов материала.

Заключение

В ходе выполнения исследовательских работ по разработке и отработке технологии автоматизированной выкладки полимерного композиционного материала, на примере выбранного армирующего наполнителя Formosa TC-35 12K и полимерного связующего Т-107, были решены задачи: по подготовке исходного материала к использованию на комплексе MAGViper 1200; разработаны и отработаны технологические режимы выкладки экспериментальных плоскопараллельных образцов однослойных и многослойных структур; проведен комплекс физико-механических испытаний полученных образцов, результаты которого позволили определить оптимальные значения входных параметров выкладки и построить математическую модель технологического процесса автоматизированной выкладки.

База теоретических и практических наработок, полученных в результате проведения исследовательских испытаний, позволяет в дальнейшем проводить аналогичные работы по адаптации других новых материалов под процесс автоматизированной выкладки, решать

комплексные задачи по переработке материала и разрабатывать оптимальные технологические режимы подбора и выкладки материала.

Литература

1. Sloan J. ATL and AFP: defining the megatrends in composite aerostructures / J. Sloan //High performance composites: Garden Business Media, Inc.; 2008. P. 20-25.

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. - С. 2-13.

3. 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

4. Математическое моделирование технологического процесса автоматизированной выкладки экспериментальных образцов полимерных композиционных материалов / А.В. Гаганов, О.А. Караева, А.М. Кудрин, Я.В. Дарнева // Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2016. - Т. 12. - №3. - С. 86-90.

НВЛ «Композиционные материалы» НОЦ «Инновационные технологии в авиастроении» Воронежского государственного технического университета

DEVELOPMENT OF THE AUTOMATED LAYOUT TECHNOLOGY FOR THE POLYMER

COMPOSITE MATERIAL

K.S. Gabriels1, O.A. Karaeva2, A.M. Kudrin3, D.V. Polukhin4

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

e-mail:gabriels_k@mail.ru

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

The article presents the results of tests related to the development of the technology of automated laying of polymeric composite material based on the reinforcing filler of Formosa TC-35 12K yarns and the polymer epoxy binder T-107 for the high-tech complex of automated MAG Viper 1200. Have been solved some problems of prepreg material processing - the technical requirements of the used complex calculations (cutting and rewinding tapes), developed and perfected technology of plane experimental samples layouts and set the complex of physical-mechanical tests. Optimal process conditions has been selected by automated computations based on the obtained values of the strength characteristics of the material with the corresponding values of control parameter calculations (the pressure roller, the heating temperature display, the tension of the prepreg) and samples modes molding (molding temperature, molding pressure of the molding). A mathematical model of technological process of automated calculationshas been made, which allows prediction and assessment of the impact of control parameters calculations on the strength characteristics of the material

Key words: carbon unidirectional tape prepreg polymer composites, manufacturability, an automated layout technology

References

1. Sloan J. «ATL and AFP: defining the megatrends in composite aerostructures», High performance composites: Garden Business Media, Inc.; 2008. pp. 20-25.

2. Gusev Yu.A., Borshchev A.V., Khrulkov A.V. «Features of prepregs for automated calculations using ATL and AFP methods», Electronic scientific journal "WORKS OF VIAM", 2012, №3, pp. 2-13.

3. 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.

4. Gaganov A.V., Karaeva O.A., Kudrin A.M., Darneva Ya.V. «Mathematical modeling of the technological process of automated calculation of experimental samples of polymeric composite materials», Bulletin of Voronezh State Technical University, 2016, Vol. 12, № 3, pp. 86-90.