КОМПОЗИТНАЯ ОСНАСТКА

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к изготовлению композитной технологической оснастки, предназначенной для формования деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ), и может найти применение в аэрокосмической, автомобильной, судостроительной и других отраслях промышленности.
Технологическая оснастка является одним из ключевых моментов в технологии производства изделий из ПКМ, поскольку она задает форму получаемого изделия.
В настоящее время для изготовления деталей из ПКМ используются оснастки, изготовленные из различных металлических сплавов или оснастки из композиционных материалов с металлическим каркасом.
Оснастки из алюминиевых сплавов достаточно хорошо подвергаются механической обработке, однако они обладают высоким коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР), что накладывает существенные ограничения на применение данного материала, особенно при использовании высококачественных композиционных материалов авиационного назначения. В процессе формования изделия из ПКМ, технологический пакет нагревают до температур 180-240°C, при этом за счет высокого КЛТР материала оснастки происходит изменение ее геометрии, что в свою очередь приводит к изменению геометрии формуемой детали из ПКМ по отношению к изначально заданной, проявлению такого эффекта как коробление изделия (изменение геометрии изделия после снятия изделия с технологической оснастки), созданию остаточных напряжений, отрицательно влияющих на механические характеристики ПКМ при длительной эксплуатации изделия.
Проблема изменения геометрических размеров получаемых изделий становится особенно актуальной при изготовлении крупногабаритных интегрированных конструкций. При размерах оснастки порядка десяти метров изменение линейных размеров за счет КЛТР может достигать нескольких сантиметров, а в случае проявления эффекта коробления - нескольких десятков сантиметров.
Учитывая жесткость требований к допускам и деформациям изделий авиационной техники, вопрос технологической оснастки становится одним из ключевых вопросов в технологической цепочке изготовления изделий из ПКМ.
Наиболее широко используемым в мировой практике подходом является использование материалов с низким значением КЛТР для изготовления технологической оснастки.
Металлическая оснастка с низким значением КЛТР из Инвара (сплав железа и никеля) близка по КЛТР к изделиям из углепластиков. Ключевые недостатки такой оснастки заключаются в высокой стоимости, низкой скорости нагрева в автоклаве, трудоемкости и сложности обработки. В основном она используется для изготовления ответственных деталей, таких как обшивка крыла, панели крыла и т.п.
Альтернативной группой материалов с низким КЛТР являются сами полимерные композиционные материалы, а именно углепластики. Обладая значениями КЛТР, максимально близкими к значениям термического расширения материалов используемых при изготовлении самих изделий из ПКМ, композиты являются с этой точки зрения идеальным материалом для изготовления технологической оснастки. Помимо технологических преимуществ, композитная оснастка существенно дешевле в производстве по сравнению с оснасткой, изготовленной из Инвара.
Современный подход к изготовлению композиционных оснасток имеет ряд общих черт. Отдельно проводят изготовление формообразующей поверхности на предварительно изготовленной мастер-модели, являющейся прототипом конечного изделия. Каркас, на котором размещают формообразующую основу, изготавливают обычно из металла. Основным недостатком этого подхода является, как упомянуто выше для некоторых металлических оснасток, разница в КТР металла и композиционной формообразующей основы, что может приводить при изготовлении целевых изделий из ПКМ к искажению формы оснастки, развитию процессов коробления и остаточных напряжений в изделиях.
Отдельно следует отметить, что все оснастки с применением металла имеют высокий вес.
Наиболее близким аналогом предлагаемой композитной оснастки для формования деталей из полимерных композиционных материалов является композитная оснастка, содержащая формообразующую основу, выполненную из элементов из пеностекла, склеенных между собой посредством термостойкого клея, и слой полимерного композиционного материала, покрывающий формообразующую основу и образующий рабочую поверхность, при этом полимерный композиционный материал указанного слоя содержит армирующий наполнитель в виде углеродного волокна и полимерную матрицу, включающую бисмалеимид (GB 2445824, В29С 33/38, 23.07.2008). Использованное для изготовления формообразующей основы пеностекло обладает уникальным комплексом свойств: низким КТР, низкой теплопроводностью, высокой теплостойкостью, приемлемыми прочностными характеристиками. Пеностекло хорошо обрабатывается, обладает низким весом и высокой долговечностью, не требует затрат энергии на множественные ремонты в течение всего срока службы. При этом оно не горит, негигроскопично, не впитывает жидкости, абсолютно устойчиво к действию агрессивных веществ. Благодаря низкой теплопроводности пеностекло не требует дополнительных энергозатрат на его прогрев при формовании деталей при повышенных температурах. Выполнение элементов из пеностекла - материала с высокой термостойкостью и максимально близким значением КТР к композитной оснастке позволит минимально снизить или вовсе исключить коробление композитной оснастки за счет разницы КТР и существенно повысить точность ее формы и геометрических параметров при изготовлении. При этом технология изготовления оснастки из пеностекла позволяет исключить стадию изготовления мастер-модели, что приведет к сокращению расходов на изготовление деталей из ПКМ, а также сроков изготовления. Покрытие поверхности из склеенных элементов пеностекла слоем полимерного композиционного материала обеспечит требуемое качество поверхности оснастки. И, т.к. формообразующая основа композиционной оснастки выполнена из пеностекла - пористого материала, то для предотвращения проникновения полимерного композиционного материала в пеностекло между формообразующей основой оснастки из пеностекла и слоем полимерного композиционного материала, покрывающим формообразующую основу, помещен слой эластомерного материала.
Недостатком указанной в патенте GB 2445824 композитной оснастки является снижение адгезионной прочности между слоями разнородных материалов, составляющих композитную оснастку, из-за применения фторсодержащих или силиконсодержащих полимеров в виде отдельного непрерывного слоя, обладающих плохой смачиваемостью и высокой гидрофобностью. Для слоя, обладающего такими свойствами будет проблематичным создание монолитного композитного материала при последующей укладке препрега на основе бисмалеимидного термопластичного полимера. При длительной эксплуатации такой оснастки будет происходить отслаивание и коробление в циклах нагрева/охлаждения из-за низкой адгезионной прочности между слоями полимерного и эластомерного компонентов.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных выше недостатков.
Технический результат достигается посредством композитной оснастки, содержащей формообразующую основу, выполненную из элементов из пеностекла, склеенных между собой посредством термостойкого клея, и слой полимерного композиционного материала, покрывающий основу и образующий рабочую поверхность, при этом полимерный композиционный материал указанного слоя содержит армирующий наполнитель в виде углеродного волокна и полимерную матрицу, включающую бисмалеимид с содержанием в качестве модификатора полиимида на основе 1,3-диаминобензола и 4,4′-(4,4′-изопропилидендифенокси)бис (фталевого ангидрида) и 1,3-бис(3-аминопропил)тетраметилдисилоксана в количестве 7% масс. Выбор модификатора на основе полиимида, содержащего в химической структуре кремнийорганические фрагменты, обусловлен тем, что при отверждении бисмалеимидного связующего происходит фазовое расслоение композиции с выделением дисперсной фазы полиимида, которая имеет сродство как к полимерной матрице, за счет содержания имидных циклов, так и к материалу подложки - пеностеклу, за счет наличия кремнийорганических фрагментов. Причем, поскольку процесс отверждения (190°C) происходит выше температуры стеклования полиимида модификатора (147°C), то на начальных стадиях отверждения, когда вязкость невысокая, возможна диффузия модификатора на границу раздела «препрег - подложка из пеностекла», с образованием слоя, препятствующего проникновению бисмалеимида в поры пеностекла, но при этом в структуре полиимидного слоя присутствуют кремнийорганические фрагменты, что и объясняет существенное повышение адгезионной прочности в предлагаемом техническом решении. Таким образом, применение бисмалеимидного связующего, содержащего в качестве модификатора полиимида на основе 1,3-диаминобензола и 4,4′-(4,4′-изопропилидендифенокси)бис (фталевого ангидрида) и 1,3-бис(3-аминопропил)тетраметилдисилоксана в количестве 7% масс., приведет к получению высокопрочного термостойкого полимерного композиционного материала, покрывающего формообразующую основу, при обеспечении удовлетворительной липкости, что позволит исключить необходимость использования между формообразующей основой оснастки из пеностекла и слоем полимерного композиционного материала, покрывающим формообразующую основу, слоя эластомерного материала, тем самым позволит упростить процесс изготовления композитной оснастки и повысить ее качество.
Вышеизложенные особенности и преимущества предлагаемой полезной модели будут понятны из последующего описания предпочтительного примера ее осуществления со ссылками на прилагаемую фигуру, на которой изображена схема композитной оснастки в соответствии с настоящей полезной моделью.
Композитная оснастка 1 содержит формообразующую основу 2, выполненную из элементов 3, склеенных между собой посредством термостойкого клея.
3
-6
-1
Указанные элементы 3 выполнены из пеностекла, обладающего плотностью 0,12-0,14 г/см, теплопроводностью 0,05 Вт/м·К, коэффициентом термического расширения до 9·10°C, температурой применения до 485°C, а также прочностными характеристиками 1,0-2,0 МПа.
Для склеивания между собой элементов 3 формообразующей основы 2 композитной оснастки 1 использован термостойкий клей с рабочей температурой не менее 180°C.
Формообразующая основа 2 из склеенных элементов 3 из пеностекла покрыта слоем 4 полимерного композиционного материала, образующего рабочую поверхность, т.е. поверхность, которая будет контактировать с выкладываемой и формуемой деталью из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Полимерный композиционный материал указанного слоя 4 содержит армирующий наполнитель в виде углеродного волокна и полимерную матрицу, включающую бисмалеимид с содержанием в качестве модификатора полиимида на основе 1,3-диаминобензола и 4,4′-(4,4′-изопропилидендифенокси)бис (фталевого ангидрида) и 1,3-бис(3-аминопропил)тетраметилдисилоксана в количестве 7% масс. (торговая марка Siltem STM 1500 или Siltem STM 1700).
Поверх слоя 4 полимерного композиционного материала, образующего рабочую поверхность, может быть нанесен слой 5 антиадгезионного состава.
Описанная выше композитная оснастка 1 для формования деталей из ПКМ может быть изготовлена следующим способом.
Плиты, выполненные из пеностекла, склеивают посредством термостойкого клея. При этом в качестве плит могут быть использованы готовые плиты из пеностекла, например, широко применяемые в строительстве теплоизоляционные плиты из пеностекла.
Плиты из пеностекла, склеенные термостойким клеем, выдерживают при комнатной температуре в течение 12 часов до полного отверждения термостойкого клея.
После этого выполняют черновую механическую обработку склеенных плит до заданных размеров композитной оснастки 1 за вычетом толщины выкладываемого в дальнейшем слоя 4 полимерного композиционного материала. Механическая обработка может быть осуществлена под заданную форму на фрезерном станке с ЧПУ. В результате получают формообразующую основу 2 композитной оснастки 1, состоящую из элементов 3 из пеностекла, склеенных термостойким клеем.
При необходимости может быть выполнено шлифование поверхности полученной формообразующей основы 2 композитной оснастки 1.
Затем на поверхность полученной в результате механической обработки формообразующей основы 2 композитной оснастки 1 проводят выкладку нескольких слоев препрега, содержащих армирующий наполнитель в виде углеродного волокна и полимерную матрицу, включающую бисмалеимид с содержанием в качестве модификатора полиимида на основе 1,3-диаминобензола и 4,4′-(4,4′-изопропилидендифенокси)бис (фталевого ангидрида) и 1,3-бис(3-аминопропил)тетраметилдисилоксана в количестве 7% масс., и осуществляют его отверждение при 190°C и постотверждение при 230°C. В результате на поверхности формообразующей основы 2 композитной оснастки 1 получают слой 4 полимерного композиционного материала, содержащего армирующий наполнитель в виде углеродного волокна и полимерную матрицу, включающую бисмалеимид с содержанием в качестве модификатора полиимида на основе 1,3-диаминобензола и 4,4′-(4,4′-изопропилидендифенокси)бис (фталевого ангидрида) и 1,3-бис(3-аминопропил)тетраметилдисилоксана в количестве 7% масс., образующего рабочую поверхность композитной оснастки 1.
Затем на станке с ЧПУ производят конечную механическую обработку рабочей поверхности композитной оснастки 1 и ее шлифование.
Поверх слоя 4 полимерного композиционного материала может быть нанесен слой 5 антиадгезионного состава, обеспечивающий снижение прилипаемости к рабочей поверхности композитной оснастки 1 при формировании в дальнейшем изделий из ПКМ на ней.
Таким образом, покрытие формообразующей основы из элементов из пеностекла слоем полимерного композиционного материала на основе бисмалеимида с содержанием в качестве модификатора полиимида на основе 1,3-диаминобензола и 4,4′-(4,4′-изопропилидендифенокси)бис (фталевого ангидрида) и 1,3-бис(3-аминопропил)тетраметилдисилоксана в количестве 7% масс, приведет к получению высокопрочного термостойкого полимерного композиционного материала, покрывающего формообразующую основу, при обеспечении удовлетворительной липкости, что позволит исключить необходимость использования между формообразующей основой оснастки из пеностекла и слоем полимерного композиционного материала, покрывающим формообразующую основу, слоя эластомерного материала, тем самым позволит упростить процесс изготовления композитной оснастки и повысить ее качество.