СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНО- ИЛИ МНОГОСЛОЙНОЙ ВОЛОКНИСТОЙ ЗАГОТОВКИ СОГЛАСНО TFP-ТЕХНОЛОГИИ
METHOD OF PRODUCING ONE- OR MULTILAYER FIBROUS WORKPIECE IN COMPLIANCE WITH TFP-PROCESS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу изготовления одно- или многослойных волокнистых заготовок согласно TFP-технологии ("Tailored Fibre Placement" - "Специальное размещение волокон") с использованием волокнистых прядей, которые упорядочены с ориентацией по направлению действия нагрузки, при этом волокнистые заготовки имеют, по существу, любую требуемую толщину материала без создающих помехи несущих слоев, а также, по существу, любую требуемую геометрию поверхности.
Уровень техники
В облегченных конструкциях, в частности в самолетостроении, все больше и больше используются композитные компоненты, изготавливаемые из армированных волокнами пластиков, которые могут выдерживать экстремальные механические нагрузки, обеспечивая при этом возможность значительной экономии в весе. Эти компоненты изготавливаются с армирующими волокнами, которые с целью формирования конечного компонента впоследствии пропитывают отверждаемым полимерным материалом, например, полиэфирной смолой, эпоксидной смолой или им подобной.
Ориентация (направленность) армирующих волокон в компоненте этого типа имеет решающее влияние на его жесткость и прочность. Для достижения оптимальных механических свойств армирующие волокна должны, если это возможно, соответствовать направлению действия нагрузки и не иметь никаких волн (завитков). Кроме того, желательно, чтобы каждое отдельное армирующее волокно подвергалось равномерной нагрузке.
С помощью обычных полуфабрикатных изделий, таких как тканые материалы или полотна с проложенными нитями для армирования полимерного материала, могут быть реализованы не все возможные ориентации волокон, поскольку в этих изделиях армирующие волокна всегда проходят с конкретной ориентацией.
Одним из возможных путей обеспечения соответствия требованиям в отношении ориентации волокон в соответствии с нагрузкой является TFP-технология ("Tailored Fibre Placement" - "Специальное размещение волокон"). Она включает в себя укладку волокнистых прядей для механического армирования ("пучки волокон"), которые, в свою очередь, формируются из множества отдельных армирующих волокон, проходящих параллельно друг другу по требуемой криволинейной траектории, и их крепление с помощью фиксирующей нити на несущем слое, вследствие чего ориентация (направленность) отдельных волокнистых прядей соответствует оптимальным образом направлению нагрузки, действующей на конечный композитный компонент. Оптимальное использование механической несущей способности волокнистых прядей, которого удается добиться таким способом, может минимизировать их количество, а следовательно, также и вес. Кроме того, поперечное сечение компонента может идеальным образом соответствовать локальным нагрузкам. Более того, путем укладки дополнительных волокнистых прядей могут быть сформированы специальные участки усиления (армирования) тех зон, которые подвергаются особому действию нагрузки, например, таких как места приложения силы и т.п. В качестве отдельных армирующих волокон могут выступать, например, стеклянные волокна, углеродные волокна, арамидные волокна или им подобные.
Изготовление волокнистых заготовок с использованием TFP-технологии выполняется на обычных автоматических швейных и вышивальных машинах с ЧПУ, которые также используются, например, в текстильной промышленности. После того, как требуемые слои с волокнистыми прядями уложены, законченная волокнистая заготовка, которая, как правило, уже имеет желаемый окончательный контур, помещается в закрываемую форму и пропитывается отверждаемым полимерным материалом, а затем отверждается, чтобы сформировать конечный композитный компонент. Могут комбинироваться друг с другом несколько волокнистых заготовок, выполненных согласно TFR-технологии, и/или слоев армирующих тканей. Пропитка волокнистых заготовок отверждаемым полимерным материалом может быть выполнена, например, посредством известных RTM-технологий ("Resin Transfer Molding" - "Трансферного Формования Пластмасс") в форме, сконструированной соответствующим образом. При необходимости, перед осуществлением RTM-технологии отрезают материал несущего слоя, который выступает за пределы контура кромки волокнистой заготовки.
Однако из-за наличия фиксирующей нити и несущего слоя TFP-технология вводит в волокнистую заготовку два компонента, которые в последующем композитном компоненте уже не выполняют никакой функции. В конкретном плане несущий слой создает трудности при реализации идеальной последовательности слоев и составляет достаточно заметную часть в общем весе, в частности, если несколько волокнистых заготовок помещены друг на друга. Несмотря на то, что несущий слой тоже может быть сформирован с помощью армирующей ткани, например с помощью ткани из стеклянных или углеродных волокон, в этом случае, по меньшей мере, некоторые из армирующих волокон имеют ориентацию, не соответствующую направлению нагрузки. Кроме того, армирующая ткань из-за проникновения швейной нити во время TFP-процесса повреждается, а следовательно, характеристики материала могут ухудшаться.
Помимо этого хорошо известен прием использования сплошного пенного сердечника в качестве поддерживающей конструкции для формирования трехмерных волокнистых заготовок, в котором фиксирующие нити плотно зажимаются на верхней стороне пенного сердечника посредством простегивания, так что при этом отпадает необходимость в дополнительной нижней фиксирующей нити. Однако в случае применения этого способа приходится держать на складе специальный пенный сердечник для каждой волокнистой заготовки с различной геометрией поверхности.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в усовершенствовании известной TFP-технологии изготовления волокнистых заготовок в той мере, которая позволяет изготавливать волокнистые заготовки с фактически любой желаемой толщиной материала и без мешающего влияния несущего слоя, который необходим в случае TFP-технологии и остается на волокнистой заготовке. При этом для изготовления волокнистых заготовок с различной геометрией поверхности необходимо иметь в наличии только универсальное основание. Кроме того, должно быть усовершенствовано крепление фиксирующих нитей в этом основании.
В соответствии с настоящим изобретением эта задача решается с помощью способа по пункту 1 формулы. Способ включает в себя следующие операции:
- укладка и закрепление волокнистых прядей на гибком и эластичном основании, в частности эластомерном основании, посредством фиксирующей нити, пропущенной через швейную головку, для формирования волокнистой заготовки, и
- снятие волокнистой заготовки с основания.
Благодаря тому, что основание является эластичным и гибким, на одном и том же универсальном основании могут изготавливаться волокнистые заготовки с различной трехмерной геометрией поверхности.
В соответствии с полезным усовершенствованием способа по изобретению, изменяют геометрию поверхности основания в соответствии с требуемой геометрией поверхности волокнистой заготовки перед укладкой и закреплением волокнистых прядей.
Это позволяет с самого начала обеспечить основание, а следовательно, и укладываемую на ней волокнистую заготовку с любой желаемой геометрией поверхности, так что волокнистая заготовка, которая изначально имеет любую желаемую трехмерную пространственную геометрию, может быть уложена и закреплена с использованием устройства, подходящего для TFP-процесса, например устройства с ЧПУ.
Помимо этого изменяемость геометрии поверхности основания позволяет изготавливать большое количество различных заготовок с различной геометрией поверхности на одном и том же основании.
В соответствии с дополнительным полезным усовершенствованием геометрию поверхности основания изменяют в соответствии с требуемой геометрией поверхности волокнистой заготовки перед снятием волокнистой заготовки.
Благодаря этому можно сначала изготовить основание в виде плоскости и с помощью TFP-технологии уложить и закрепить на нем волокнистые пряди. В дальнейшем основанию может быть придана геометрия поверхности, отличная от плоской формы, имеющая, по существу, любое пространственное искривление. Следовательно, волокнистые пряди можно сначала уложить и закрепить в плоскости «ху» с тем, чтобы сформировать волокнистую заготовку с помощью стандартных автоматических швейных и вышивальных машин с ЧПУ. Впоследствии основанию придается другая геометрия поверхности, которая соответствует, например, геометрии полуцилиндра. Следовательно, чтобы сформировать волокнистую заготовку, можно использовать конструктивно менее сложную стандартную автоматическую швейную и вышивальную машину, которая позиционирует швейную головку только в пространственном направлении «ху», создавая значительную экономию времени и стоимости.
В соответствии с дополнительным полезным усовершенствованием, геометрию поверхности основания задают поддерживающими элементами. Это усовершенствование делает возможным, в частности, совместно с автоматической и вышивальной машиной и т.п. с ЧПУ изготавливать волокнистые заготовки с различной геометрией поверхности на одном и том же универсальном основании.
В соответствии с дополнительным полезным усовершенствованием способа по изобретению поддерживающие элементы перемещают с помощью устройства с разомкнутой и замкнутой системой управления для обеспечения соответствия требуемой геометрией поверхности волокнистой заготовки.
Благодаря тому, что поддерживающие элементы могут быть отдельно активированы посредством устройства с разомкнутой и замкнутой системой управления, имеется возможность придавать основанию фактически любую желаемую геометрию поверхности. Поддерживающие элементы могут быть выполнены, например, в виде подвижных штанг или опор, которые равномерно разнесены друг от друга и расположены под основанием, удерживая его в верхнем положении, а траектории их перемещения контролируются, по меньшей мере, в одном пространственном направлении, например, с помощью устройства с разомкнутой и замкнутой системой управления или ручным способом. Предпочтительно, чтобы как растягивающие, так и сжимающие силы могли прикладываться к основанию посредством позиционируемых штанг с тем, чтобы получить изменяемую деформацию основания. Устройство с разомкнутой и замкнутой системой управления для изменения геометрии поверхности основания предпочтительно в этом случае соединить с управляемой компьютером автоматической швейной и вышивальной машиной с ЧПУ, которая используется для осуществления TFP-технологии или представляет собой часть этого управления.
Дополнительное полезное усовершенствование предусматривает фиксацию волокнистой заготовки перед снятием с эластичного и гибкого основания.
Благодаря этому удается в значительной степени избежать любого нежелательного смещения волокнистых прядей, которые возникают внутри волокнистой заготовки в результате снятия с основания. Для фиксации волокнистых прядей в волокнистой заготовке может использоваться, например, термопластичный порошок, который плавится при низкой температуре, отверждаемый клей и т.п.
Дополнительные полезные усовершенствования способа, соответствующего изобретению, охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 показывает поперечное сечение волокнистой заготовки на эластичном и гибком основании, изготовленной способом по изобретению, и
Фигура 2 показывает в перспективе процесс формования с использованием эластичного и гибкого основания с уложенными волокнистыми прядями.
Осуществление изобретения
Последовательность операций способа, соответствующего изобретению, описывается на основе прилагаемых Фигур 1 и 2.
Фигура 1 показывает последовательность операция способа по изобретению в виде формирования плоской волокнистой заготовки 1. Чтобы сформировать волокнистую заготовку 1 в соответствии с известной TFP-технологией ("Tailored Fibre Placement" - "Специальное размещение волокон"), на эластичном и гибком основании 9, используемом в качестве несущего слоя, укладывается и крепится множество волокнистых прядей 2-8 ("пучков"), в частности, в направлении действия нагрузки. Основание 9 может быть сформировано, например, из эластичного и гибкого листа эластомера, в частности, резинового листа или резинового коврика, или подобного элемента. Волокнистые пряди 2-8 компонуются из множества отдельных армирующих волокон ("нитей"), которые на Фигуре 1 проходят приблизительно перпендикулярно плоскости чертежа. В качестве армирующих волокон используют, например, стеклянные волокна, углеродные волокна или арамидные волокна. Укладка прядей 2-8 на основании 9 выполняется с помощью автоматической швейной и вышивальной машины, которая не изображена, однако следует сказать, что она имеет соответствующим образом сформированную швейную головку для направления волокнистых прядей 2-8. Одновременно швейная головка может служить для закрепления волокнистых прядей 2-8 на эластичном основании 9. Предпочтительно, чтобы швейная головка контролировалась с помощью разомкнутой и замкнутой системы управления (не изображена), например, типа ЧПУ и т.п., чтобы создать требуемую криволинейность волокнистых прядей 2-8, в частности, соответствующую направлению действия нагрузки.
Закрепление волокнистых прядей 2-8 на основании 9 происходит с помощью фиксирующих нитей 10, 11, которые, по меньшей мере, частично вводятся в основание 9 посредством иглы, установленной на швейной головке. Вследствие этого формируются петли 12-14, что позволяет фиксирующим нитям 10, 11 надежно закрепляться в основании 9 без потребности в дополнительной нижней фиксирующей нити ("способ простегивания"). Фиксирующие петли 12-14 плотно удерживаются, будучи зажатыми благодаря надлежащей силе трения внутри основания 9. В результате этого удается избежать неконтролируемого смещения прядей 2-8 на основании 9. Предпочтительно, чтобы пряди 2-8 крепились на основании 9 зигзагообразными стежками.
Чтобы обеспечить надежное удержание фиксирующих петель 12-14 в эластичном и гибком основания 9 и в то же время обеспечить адаптацию последней к различным геометриям поверхности, основание выполнено из эластомера или других материалов, которые имеют свойства эластичности и гибкости. Например, эластичное и гибкое основание 9 может быть образовано в виде листа резины или силикона. Основание 9 выполняет ту же функцию, что и несущий слой в целом, по аналогии с тканью (вместе с нижней фиксирующей нитью), которая необходима в случае обычных TFP-процессов, однако, дополнительно позволяет изготавливать волокнистые пряди со сложной геометрией поверхности без необходимости иметь в наличии поддерживающие тела в виде сплошных пенных сердечников, которые соответствуют геометрии поверхности изготавливаемой волокнистой заготовки.
В показанном варианте осуществления по Фигуре 1 волокнистая заготовка 1 имеет два слоя 15, 16. Волокнистые пряди 6, 7, 8 уложены в нижнем слое 16, тогда как волокнистые пряди 2-5 расположены в верхнем слое 15. С помощью способа, соответствующего изобретению, можно формировать волокнистые заготовки 1 с фактически любым желаемым количеством слоев, расположенных один над другим. Максимальное количество волокнистых прядей 2-8, которые могут укладываться одна поверх другой, в TFP-технологии ограничивается, по существу, длиной используемой иглы, поскольку игла с фиксирующей нитью должна проходить через все слои, включая часть основания 9.
После завершения волокнистой заготовки 1 ее можно отделить от основания 9 без неблагоприятного воздействия на целостность волокнистых прядей 6, 7, 8, поскольку волокнистая заготовка 1 свободно удерживается или "пристегнута" на основании с помощью фиксирующих петель 12, 13, 14. После отделения волокнистой заготовки 1 в ней остаются только фиксирующие нити 10, 11, поэтому механические свойства волокнистой заготовки 1 от этого заметно не ухудшаются.
Поскольку, в первую очередь, следует описать изготовление плоской волокнистой заготовки 1, основание 9 имеет плоскую геометрию поверхности на всей последовательности способа. Однако, если изготавливаются волокнистые заготовки с искривленными геометриями поверхности, то необходимо использовать поддерживающие элементы с тем, чтобы обеспечить эластичное и гибкое основание 9 с требуемой геометрией перед окончанием процесса укладки и крепления и/или после него.
Фигура 2 в качестве примера иллюстрирует преобразование волокнистой заготовки 1 (ср. с Фигурой 1) с изначально плоской геометрией в волокнистую заготовку 17, которая имеет геометрию поверхности, близкую к полуцилиндру.
Прежде всего волокнистая прядь 18 укладывается и крепится на плоском, эластичном и гибком основании 19. Здесь волокнистая прядь 18 представляет собой множество волокнистых прядей, которые не показаны в целях лучшего рассмотрения чертежа. Методика действий при укладке и закреплении волокнистой пряди 18 на изначально плоском, эластичном и гибком основании 19 соответствует описанию Фигуры 1.
Формирование изначально плоского основания 19 приводит, в частности, к полезному результату, который заключается в том, что для укладки и закрепления волокнистой пряди 18 достаточно использовать только автоматические швейные и вышивальные машины простой конструкции, поскольку необходимо перемещение швейной головки только в направлении «ху» системы координат 20, т.е. параллельно плоскости, определяемой основанием 19. Опция дополнительного перемещения швейной головки параллельно направлению «z» системы координат не требуется.
После этого (как показано стрелкой 21) основание 19 формируют с приданием геометрии поверхности, например, в виде полуцилиндра. После этого волокнистую заготовку 17 можно снимать с основания 19 для дальнейшей обработки. Вместо формы полуцилиндра основанию 19 может быть придана любая возможная геометрия, в том числе, например, геометрия, которая имеет сферические искривления, по меньшей мере, на некоторых участках.
Деформация эластичного и гибкого основания 19 может выполняться, например, с помощью поддерживающих элементов, которые здесь не изображены. Эти поддерживающие элементы разнесены друг от друга на равные расстояния, наподобие матрицы, под эластичным и гибким основанием. Поддерживающие элементы могут быть сформированы, например, в виде вертикально перемещаемых штанг и т.п., причем траектории их перемещения могут контролироваться в направлении «z» системы координат 20 посредством устройства с разомкнутой и замкнутой системой управления, так что с помощью способа, соответствующего изобретению, могут формироваться волокнистые заготовки 17 с фактически любой желаемой геометрией поверхности. Устройство с разомкнутой и замкнутой системой управления позволяет выполнять фактически полностью автоматическую и высокоточную последовательность процесса деформирования эластичного и гибкого основания 19 и процесса укладки и закрепления волокнистых прядей с целью формирования волокнистых заготовок 17. Следовательно, с помощью способа, соответствующего изобретению, фактически полностью автоматически и в больших количествах могут быть изготовлены волокнистые заготовки 17 с любой желаемой геометрией поверхности и высокой стабильностью размеров. Кроме того, основание 19 может быть заключено в зажимную раму с тем, чтобы получить, по существу, плоскую исходную геометрию поверхности, в частности, в случае небольшой толщины материала без какого-либо регулирования и удержания поддерживающими элементами.
После завершения процесса деформирования основания 19 волокнистая заготовка 17 может быть легко отделена от последнего и отверждена с тем, чтобы сформировать законченный композитный компонент, армированный волокнами, например, посредством известной RTM-технологии ("Resin Transfer Molding" - "Трансферного Формования Пластмасс"). С этой целью волокнистая заготовка 17 насыщается или пропитывается отверждаемым полимерным материалом, например полиэфирной смолой, эпоксидной смолой или им подобной. После отделения волокнистой заготовки 17 от основания 19 может потребоваться приведение контуров кромок к предварительно заданным требуемым размерам с помощью их подрезки.
Чтобы обеспечить равномерную и безопасную фиксацию волокнистой пряди 18, волокнистая заготовка 17 может быть, в случае необходимости, дополнительно зафиксирована с помощью связующего вещества перед снятием с основания 19 и/или перед деформированием основания 19. В качестве связующих веществ используются термопластики, которые плавятся, в частности, в температурном диапазоне между 50°С и 150°С, и/или подходящие клеи и, в частности, термоплавкие клеи. Эти связующие вещества могут, например, в порошковой форме вводиться в волокнистую заготовку 17 и/или наноситься на нее.
После отделения волокнистой заготовки 17 от основания 19 помимо фиксирующих нитей в пределах волокнистой заготовки 17 не остается никаких элементов, несущих слоев и т.п., которые могут привести к ухудшению механических свойств волокнистой заготовки 17. Благодаря этому для изготовления армированных волокнами композитных компонентов с большей толщиной материала несколько соответствующим образом сформированных волокнистых заготовок (чтобы сформировать многослойные волокнистые заготовки) могут быть размещены поверх друг друга до того, как они укладываются в форму для осуществления RTM-процесса. Механические свойства сформированных таким способом многослойных волокнистых заготовок не ухудшаются несущими слоями или промежуточными слоями и т.п., которые требуются в процессе осуществления TFP-технологии.
При рассмотрении способа необходимо учитывать, что представленная последовательность отдельных операций способа носит только примерный характер, и при необходимости возможны отступления от приведенной последовательности способа.
Посредством способа, соответствующего данному изобретению, можно простым путем изготавливать волокнистые заготовки, которые имеют ориентацию волокон, по существу, соответствующую направлению действия нагрузки, и могут иметь также геометрию поверхности, которая отлична от плоской формы. Более того, волокнистые заготовки могут быть изготовлены на управляемых компьютером автоматических швейных и вышивальных машинах, в которых швейная головка позиционируется только в плоскости «ху», благодаря чему удается получить значительную экономию во времени и стоимости. Волокнистые заготовки, сформированные способом по изобретению, могут использоваться, например, для изготовления композитных компонентов по RTM-технологии.
Композитные компоненты, изготавливаемые таким путем, имеют фактически оптимальную ориентацию волокон, то есть имеют ориентацию, по существу, соответствующую направлению действия нагрузки, и свободны от ощутимых дефектов в конструкции многослойного изделия. Следовательно, они позволяют создавать компоненты, которые могут выдерживать экстремальные механические напряжения, и при этом имеют очень небольшой вес.
Соответственным образом, изобретение относится к способу изготовления одно- или многослойных волокнистых заготовок 1, 17 согласно TFP-технологии с использованием волокнистых прядей 2-8, 18, которые упорядочены с ориентацией по направлению действия нагрузки, при этом волокнистые заготовки 1, 17 имеют, по существу, любую требуемую толщину материала без создающих помехи несущих слоев, а также, по существу, любую требуемую геометрию поверхности, включающему в себя следующие операции:
- укладка и закрепление волокнистых прядей 2-8, 18 на гибком и эластичном основании 9, 19, в частности на основании 9, 19, образованном эластомером, с помощью фиксирующей нити 10, 11, пропущенной через швейную головку, для формирования волокнистой заготовки 1, 17 и
- снятие волокнистой заготовки 1, 17 с основания 9, 19.
Геометрию поверхности основания 9, 19 предпочтительно изменяют в соответствии с требуемой геометрией поверхности волокнистой заготовки 1, 17 перед укладкой и закреплением волокнистых прядей 2-8, 18.
Геометрию поверхности основания 9, 19 могут изменять в соответствии с требуемой геометрией поверхности волокнистой заготовки 1, 17 перед снятием волокнистой заготовки 1,17.
Геометрию поверхности основания 9, 19 предпочтительно задают поддерживающими элементами.
Поддерживающие элементы предпочтительно перемещают с помощью устройства с разомкнутой и замкнутой системой управления для обеспечения соответствия требуемой геометрии поверхности волокнистой заготовки 1, 17.
Перед снятием с основания 9, 19 волокнистую заготовку 1, 17 предпочтительно фиксируют.
Фиксация волокнистой заготовки 1, 17 выполняется, в частности, связующим веществом, в частности термопластическим материалом и/или клеем.
Фиксирующая нить 10, 11 вводится в основание 9, 19, например, посредством прошивания основания 9, 19 иглой, установленной в швейной головке, и образуемые петли 12-14 фиксирующих нитей плотно удерживаются при этом в основании 9, 19.
Швейную головку предпочтительно позиционируют относительно основания 9, 19, по меньшей мере, в двух измерениях посредством устройства с разомкнутой и замкнутой системой управления для обеспечения, по существу, любой требуемой кривизны укладки волокнистых прядей 2-8, 18 на основании 9, 19, в частности, кривизны по направлению действия нагрузки.
По меньшей мере, на некоторых участках основания 9, 19 предпочтительно укладывают и фиксируют, по меньшей мере, две волокнистые пряди 2-8, 18 для формирования волокнистой заготовки 1, 17, по меньшей мере, с двумя слоями 15, 16.
После снятия с основания 9, 19, по меньшей мере, две волокнистые заготовки 1, 17 предпочтительно располагают одна поверх другой для формирования многослойной волокнистой заготовки 1, 17.
Перечень ссылочных номеров
1 - волокнистая заготовка; 2-8 волокнистые пряди; 9 - основание; 10, 11 - фиксирующие нити; 12-14 - петли фиксирующей нити; 15, 16 - слои; 17 - волокнистая заготовка; 18 - волокнистая прядь; 19 - основание; 20 - система координат; 21 - стрелка.