СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ СИЛОВЫХ ПАНЕЛЕЙ
METHOD OF MAKING THIN-WALL LAMINAR BEARING PANELS

Изобретение относится к способам изготовления объемных каркасных сетчатых панелей и может быть использовано при изготовлении конструкций в машиностроении, включая судостроение, ядерную энергетику, авиакосмическую отрасль промышленности. В указанных отраслях широко применяются крупногабаритные объемные панели и оболочки, для изготовления которых ранее применялись штампованные листы металла, подкрепленные профилями. При этом профиль повышал жесткость панели и прочностные характеристики всей конструкции. Наиболее предпочтительным методом оказался способ изготовления панелей из полимерных композиционных материалов (ПКМ), где одновременно с обшивкой панели в конструкции изготавливались подкрепляющие профили для увеличения равнопрочностных характеристик панели.
Известен способ изготовления баллонов давления из ПКМ (Основы авиа- и ракетостроения: учеб. пособие для вузов / А.С. Чумадин, В.И. Ершов, К.А. Макаров и др. - М.: Инфра-М. 2008. - 992 с.: ил. стр. 557 (D1), где объемную оболочку изготавливают методом непрерывной намотки на станке с вращающейся оправкой (формообразующим инструментом).
На вращающуюся оправку непрерывно и равномерно укладывают по установленной траектории и с постоянной скоростью, оплетая ее как кокон, спиральные ленты из волокон ПКМ, пропитанных связующим и образующих силовой каркас панели будущей конструкции из подкрепляющих профилей или силовых элементов. В описанной стадии формируется объемная жесткая сетчатая конструкция из спиральных взаимно-пересекающихся волокон.
Далее сформированный каркас подкрепляющих профилей или силовых элементов усиливают наружными лентами, наматываемыми в кольцевом направлении. Причем намотка смоченного кольцевого слоя (или обшивки) по наружной поверхности панели производится на предварительно уложенные симметричные спиральные силовые слои.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ изготовления конструкционных панелей, включающий формирование системы спиральных и кольцевых ребер силового набора намоткой гибкого волокнистого материала, пропитанного связующим, на матрицу, размещенную на оправке, затем последующее формирование обшивочного слоя намоткой гибкого волокнистого материала, пропитанного связующим, поверх силового набора, отверждение связующего и снятие панели с оправки (пат. RU №2463166, опубл. 10.10.2012) (D2).
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что пазы под ребра каркаса в матрицах изготовлены по высоте, равной толщине вставки, а сами вставки по завершении процесса могут быть удалены из полученной конструкции.
Однако перечисленными методами можно изготовить панель «мокрым» способом, т.е. когда на оправку наматывается волокнистый материал, который предварительно смочен связующим. Это не всегда удобно, поскольку для этого требуется высокой квалификации персонал и безотказная работа оборудования. Другой объективной причиной является недолговечность полезных свойств полимера. Кроме того, высок расход дорогостоящего связующего, излишки которого выдавливаются и удаляются в отходы.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является возможность получения нескольких слоев при изготовлении объемных каркасных сетчатых панелей «сухим» способом, в том числе тонкостенных, то есть, когда на оправку или иной формообразующий инструмент наматывается и/или выкладывается сухой волокнистый материал, который пропитывается связующим только после полного завершения намотки и/или выкладки, затем формируют ребра силового набора намоткой в пазы матрицы гибкого сухого волокнистого материала, после чего на них формируют очередной обшивочный слой.
Формирование последующих слоев осуществляют в аналогичном порядке. После завершения процесса сухой намотки и/или выкладки волокнистого материала всю сборку помещают в ложемент под герметичную пленку, из-под которой откачивают воздух и этим создают вакуум. Затем посредством созданного вакуума в сухую объемную волокнистую конструкцию всасывается из емкости со связующим дозированная порция пластика (смолы в текучем состоянии), которая равномерно распределяется по всей волокнистой конструкции.
Технический результат, который может быть получен в результате решаемой задачи, выражается в существенном упрощении процесса получения нескольких слоев при изготовлении объемных каркасных сетчатых оребренных панелей. При этом наблюдается существенное снижение массы конструкции в целом, сокращение потерь связующего, а также повышение качества конструкции и общую технологическую культуру производства при снижении количества брака и расходе связующего.
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления конструкционных панелей, включающий формирование системы спиральных и кольцевых ребер силового набора намоткой гибкого сухого волокнистого материала на матрицу, размещенную на оправке, формирование обшивочного слоя намоткой гибкого сухого волокнистого материала поверх силового набора, последующее посредством создания вакуума всасывание в конструкцию связующего и его отверждение со снятием панели с оправки, в заявляемом изобретении на оправке из сухого волокнистого материала формируют объемный сетчатый каркас и обшивочные слои, затем посредством вакуумного всасывания сформированная конструкция равномерно пропитывается связующим, причем отверждение связующего осуществляют после завершения процесса, а затем обеспечивают доступ ко всем замкнутым объемам конструкционной панели и при необходимости удаляют из них материал вставок матрицы.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «… на оправке из сухого волокнистого материала формируют объемный сетчатый каркас и обшивочные слои» обеспечивает формирование «гладкой» внутренней поверхности панели и ребер силового набора конструкции из сухого волокнистого материала, что позволяет вносить требуемые коррективы в создаваемую конструкцию на всех технологических этапах производства.
Признак «… затем посредством вакуумного всасывания сформированная конструкция равномерно пропитывается связующим», тем самым обеспечивается строго дозированная подача связующего в создаваемую объемную каркасную конструкцию.
Способ осуществляют следующим образом. Для формирования первого обшивочного слоя на поверхность вращающейся оправки предварительно наматывают и/или выкладывают гибкий сухой волокнистый материал, на котором формируют матрицу из вставок, с зазорами, предназначенными для формирования объемного силового набора панели.
В качестве материала матриц используют либо брикеты растворимого материала (например, солевые обводообразующие вставки), либо капсулы с легким газом. Соли в обводообразующих вставках могут быть любыми, главное, чтобы они были способны держать форму конструкции ребра и обшивки до полимеризации связующего и впоследствии могли быть удалены из полости ячейки одним из доступных методов - вытряхиванием, вакуумированием, вымыванием, при этом капсулы с легким газом остаются в составе конструкции. Обводообразующие солевые вставки (или капсулы с легким газом) устанавливают на первом обшивочном слое с зазорами, которыми заранее задают размер ребра, а именно: высота обводообразущей вставки ровна высоте изготавливаемого ребра, а расстояние между вставками - толщине будущего ребра.
Ребра силового набора формируют намоткой в зазоры матрицы гибкого сухого волокнистого материала. По завершении намотки и/или выкладки сформированная объемная сухая конструкция равномерно пропитывается связующим путем всасывания связующего методом вакуумирования полученной сборки. В заявляемом способе связующее - матрица или склеивающее волокна вещество, т.е. этот материал после полимеризации придает жесткость волокнам. Изготавливаемые намоткой ребра ориентированы перпендикулярно к наружной поверхности будущей панели.
Отверждение связующего осуществляют после завершения формирования структуры. Отверждение связующего представляет собой известный стандартный типовой процесс полимеризации, который зависит от вида применяемых веществ и условий технологического процесса. Предложенным способом возможно изготовление любой объемной сетчатой каркасной панели из ПКМ.