Способ изготовления деталей из волокнистого полимерного композиционного материала
METHOD OF MAKING DETAILS OF FIBER POLYMER COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к технологии формования деталей, состоящих из композиционного материала и термоактивной матрицы при повышенных температурах, а именно к способам изготовления деталей из волокнистого полимерного композиционного материала.
Известен способ изготовления детали из полимерного композиционного материала, заключающийся в размещении на одной из рабочих поверхностей жесткой пресс-формы пакета из слоев наполнителя («препрега») и прессовании этих слоев при повышенных температурах и давлении в автоклаве с использованием вспомогательных материалов (патент RU №2348526, 2009 г.).
Недостатком известного способа является сложность его реализации при изготовлении крупногабаритных деталей сложной формы, обусловленная необходимостью использования уже пропитанных связующим слоев наполнителя, необходимостью хранения последнего при определенных условиях и ограничения времени его использования, а также необходимостью предварительной консолидации (или «подпрессовки») слоев наполнителя для удаления слоев воздуха из пространства между слоями наполнителя и обеспечения низкой пористости.
Известны способы изготовления детали из полимерного композиционного материала, заключающиеся в том, что на одной из рабочих поверхностей герметичной жесткой пресс-формы собирают преформу из сухого волокнистого наполнителя и вспомогательных материалов, обеспечивающих формирование пути течения полимерного связующего, уплотняют с помощью пресса до необходимого объемного содержания, вакуумируют полость пресс-формы, подают полимерное связующее, осуществляют пропитку преформы при заданной температуре под действием давления, охлаждают преформу и удаляют с ее поверхности вспомогательные материалы (патент US №7785525, 2010 г., патент RU №2551517, 2015 г.).
В известных технических решениях (так называемый RTM-процесс) обязательным является использование массивных жестких пресс-форм и мощного пресса, обеспечивающего давление при пропитке наполнителя до 9 атмосфер. Существенным недостатком известных технических решений является низкое качество поверхности детали после удаления вспомогательных материалов. Способ допускает отказ от использования вспомогательных материалов, что позволяет получать деталь с объемным содержанием наполнителя более 70%, с низкой пористостью и высококачественной поверхностью, однако при этом его недостатком является сложность реализации пропитки наполнителя, поскольку фронт смолы движется не по поверхности детали, а просачивается сквозь всю длину от входной грани изделия к выходной грани. Движение смолы при схеме пропитки без использования вспомогательных материалов затруднено и зависит от проницаемости наполнителя. Поэтому при изготовлении детали сложной формы в преформе неизбежно возникают места с различной проницаемостью, что приводит к появлению областей в объеме детали с различной степенью пропитки и повышенной локальной пористостью. Таким образом, известные технические решения обеспечивают качественную пропитку только небольших и средних (до метра) деталей.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ изготовления деталей из волокнистого полимерного композиционного материала, заключающийся в том, что на одной из рабочих поверхностей жесткой пресс-формы собирают преформу из сухого волокнистого наполнителя и вспомогательных материалов, обеспечивающих формирование пути течения полимерного связующего, герметизируют собранную пресс-форму с помощью вакуумного пакета, подают полимерное связующее, осуществляют пропитку преформы при заданной температуре под действием вакуума, охлаждают преформу и удаляют с ее поверхности вспомогательные материалы (патент RU №2480334, 2013 г.). В известном техническом решении условием изготовления детали (инфузионного формования) является прессование с использованием приложенного вакуума на протяжении всего процесса изготовления детали, поскольку прекращение вакуумирования или удаление вспомогательных материалов до момента полимеризации (или гелеобразования) связующего приводит к образованию пористой детали пониженной плотности.
Существенным недостатком известного технического решения является использование жесткой формообразующей оснастки только с одной стороны детали, что не обеспечивает получения качественной поверхности после удаления вспомогательных материалов. Кроме того, невозможно получение детали с высоконаполненным композиционным материалом с объемным содержанием волокнистого наполнителя более 55-60%, поскольку уплотнение преформы осуществляется за счет вакуумирования пресс-формы, и усилие в этом случае не может быть выше 1 атмосферы.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявленного способа, заключается в повышении качества поверхности детали при одновременном обеспечении высокого объемного содержания волокнистого наполнителя.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого способа, заключается в исключении расслоений преформы при удалении вспомогательных материалов с поверхности детали за счет частичной полимеризации связующего.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа изготовления детали из волокнистого полимерного композиционного материала на одной из рабочих поверхностей жесткой пресс-формы собирают преформу из сухого волокнистого наполнителя и вспомогательных материалов, обеспечивающих формирование пути течения полимерного связующего, герметизируют собранную пресс-форму с помощью вакуумного пакета, подают полимерное связующее, осуществляют пропитку преформы при заданной температуре под действием вакуума, охлаждают преформу и удаляют с ее поверхности вспомогательные материалы, согласно предлагаемому изобретению в процессе охлаждения контролируют изменение температуры стеклования связующего, удаляют вспомогательные материалы при достижении значения текущей температуры стеклования связующего, превышающей комнатную температуру, после чего размещают на поверхности пропитанной связующим преформы жесткий пуансон, перемещают в рабочую камеру автоклава и герметизируют собранную пресс-форму, повышают температуру в автоклаве до величины, обеспечивающей переход связующего в жидкое состояние, дополнительно подают в пресс-форму через рабочую камеру автоклава связующее, повышают давление в автоклаве и окончательно уплотняют преформу до требуемого объема, выдерживают и отверждают деталь при заданных температуре и давлении и извлекают деталь из автоклава.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:
- контроль изменения температуры стеклования, охлаждение преформы и удаление вспомогательных материалов при достижении значения текущей температуры стеклования, превышающей комнатную температуру, позволяет защитить преформу от насыщения воздухом объема наполнителя за счет частичной полимеризации связующего, исключающей возникновение расслоений при удалении вспомогательных материалов с поверхности детали;
- размещение на поверхности пропитанной связующим преформы жесткого пуансона, перемещение ее в рабочую камеру автоклава и герметизация собранной пресс-формы, повышение температуры в автоклаве до величины, обеспечивающей переход связующего в жидкое состояние, повышение давления в автоклаве, окончательное уплотнение преформы до требуемого объема, выдержка и отверждение детали при заданных температуре и давлении обеспечивают после извлечения из автоклава стабильность формы, монолитность и целостность пропитанной детали, качество поверхности детали и высокое объемное содержание волокнистого наполнителя;
- дополнительная подача в пресс-форму через рабочую камеру автоклава связующего обеспечивает снижение пористости детали путем предварительной подпрессовки.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно: удаление вспомогательных материалов осуществляют при текущей температуре стеклования связующего, превышающей на 5-30°С комнатную температуру, что обеспечивает оптимальный режим удаления вспомогательных материалов с поверхности детали.
Реализация способа осуществляется в следующей последовательности.
На рабочей нижней поверхности жесткой пресс-формы собирают преформу, состоящую из совокупности слоев сухого волокнистого наполнителя, скрепленных вместе в одну заготовку, предназначенных для последующей пропитки связующим, на поверхности которой размещают вспомогательные материалы (жертвенную ткань, смолопроводящую дренажную сетку, спиральные и цельные трубки для подвода и отвода связующего, герметизирующий жгут по периметру оснастки, вакуумную пленку), обеспечивающие формирование пути течения полимерного связующего. При этом преформа может быть изготовлена различными методами: послойной ручной или автоматической выкладкой, намоткой, автоматической нашивкой ровинга, трехмерным ткачеством или плетением, причем различные методы могут комбинироваться между собой.
Собранную пресс-форму герметизируют с помощью вакуумного пакета, представляющего собой вакуумную пленку, которая приклеивается по периметру пресс-формы с помощью самоклеящегося герметизирующего жгута. Для повышения качества детали возможно использование двойного вакуумного пакета. Трубки для подвода и отвода связующего заводятся под вакуумную пленку с двух противоположных сторон пропитываемой детали. Пресс-форму с вакуумным пакетом располагают в термокамере или внутри печи. Трубки для связующего выводятся из термокамеры наружу через специальные отверстия в стенках, трубка для подвода связующего подключается к питающему баку, а трубка для отвода связующего подключается к ловушке для избытков смолы. Ловушка для смолы через второй штуцер подключается к вакуумному насосу. При наличии второго вакуумного пакета последний подключается ко второму вакуумному насосу. Производится вакуумирование пакета с преформой, и под действием вакуума (до 1 атм) из пакета удаляют остатки воздуха, воды и летучие примеси, вакуумная пленка обжимает и уплотняет преформу. После вакуумирования подают полимерное связующее и осуществляют пропитку преформы при заданной температуре (160-180°С) под действием вакуума. После окончания процесса пропитки охлаждают преформу, контролируют изменение температуры стеклования связующего и удаляют вспомогательные материалы при достижении значения текущей температуры стеклования, превышающей комнатную температуру на 5-30°С.
В результате происходит частичная полимеризация связующего, которое в момент удаления вспомогательных материалов находится в гелеобразном состоянии, что позволяет удалить вспомогательные материалы без нарушения целостности преформы, то есть без расслоений и трещин. После удаления вспомогательных материалов на поверхности пропитанной связующим преформы размещают жесткий пуансон, перемещают пресс-форму в рабочую камеру автоклава и герметизируют собранную пресс-форму, например, помещая ее в новый вакуумный пакет, или используют встроенные в периметр пуансона резиновые уплотнения. Создают вакуум в рабочей полости пресс-формы и повышают температуру в автоклаве до величины, обеспечивающей переход связующего в жидкое состояние, при котором связующее «расстекловывается», то есть переходит в жидкую фазу. Повышают давление в автоклаве (до 1-2 атм) и дополнительно подают в пресс-форму через рабочую камеру автоклава связующее, которое обеспечивает сжатие пакета и удаление остатков воздуха. После этого повышают в автоклаве давление (до 5-7 атм) и температуру, при которых обеспечивается полная полимеризация связующего. Выдерживают пресс-форму с изделием при данной температуре и давлении (3-4 часа), охлаждают автоклав и извлекают деталь.
Таким образом, предложенный способ позволяет защитить деталь при его изготовлении от возможности возникновения расслоений и насыщения воздухом объема наполнителя, обеспечить стабильность формы, монолитность и целостность детали, что позволяет повысить качество детали при высоком объемном содержании волокнистого наполнителя.