Способ формирования 4D каркаса многомерно армированного углеродного композиционного материала и устройство для его осуществления
METHOD OF FORMING 4D FRAME OF MULTIDIMENSIONALLY REINFORCED CARBON COMPOSITE MATERIAL AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области углерод-углеродных композиционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, а также к области создания и производства углеродных материалов на основе объемно-армированных каркасов из углеродного волокна. Способ формирования 4D каркаса многомерно армированного композиционного материала используется для изготовления изделий авиации и изделий в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиакосмической технике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.
Армированные композиционные материалы в настоящее время находят все более широкое применение в разных областях рынка, однако производство их в промышленных масштабах ограниченно из-за использования немеханизированных операций или дорогостоящего оборудования. Промышленность при использовании композитов во многих областях, и в особенности в элитной части рынка, сталкивается с серьезными ограничениями, которые накладывают на применение большинства высококачественных композитов длительность производственного цикла и высокие затраты на рабочую силу, на инструмент и оснастку. Высококачественные и совершенные композиты типа углерод-углеродных композитов, применяемые в аэрокосмической промышленности, в автомобилестроении, требуют дорогостоящей предварительной подготовки армирующих материалов. Изготовление композитных конструкций с использованием этих материалов требует применения трудоемких процессов раскладки с целью получения нужной ориентации волокон по направлениям и оптимальной прочности при сложной геометрической форме. Это является наиболее ограничивающей и требующей больших затрат времени отличительной чертой процесса изготовления высококачественных композитов. Некоторые из более успешных попыток направлены на применение блочных сборочных компонентов, которые могут иметь однородную форму и, таким образом, более пригодны для массового производства. Эти сборочные компоненты, однако, все же требуют значительных трудозатрат для окончательной сборки и должны сочетать гибкость конструкции с ограничениями в отношении конечной геометрической формы. Поэтому необходимо минимизировать и по возможности механизировать изготовление, сборку и производство армирующих компонентов.
Известен способ изготовления объемно армированного композиционного материала (1) патент РФ №2568725. Способ изготовления объемно армированного композиционного материала включает изготовление армирующего каркаса путем набора стержней из углеродного волокна, помещение армирующего каркаса в форму, пропитку его под давлением термореактивной смолой, а затем полимеризацию смолы. Армирующий каркас выполнен трехмерным и составлен из стержней диаметром 0,8-0,9 мм. Используемое в изделиях волокно - Т700 Тогоуса имеет характеристику по числу углеродных нитей - 12К (то есть 12000 углеродных филаментов образуют единую нить волокна). Для 12К оптимальный размер отверстия фильеры 0,9, который гарантированно позволяет получить круглое сечение стержня. Пропитка термореактивной смолой осуществляется методом инфузии в три этапа: вакуумирование до подачи связующего от 20 до 30 мин, подача связующего под вакуумом от 30 до 40 мин со скоростью 0,35 л/мин, промежуточная выдержка под вакуумом от 20 до 40 мин.
Сборка каркаса осуществляется вручную без какой-либо механизации. Процесс сборки трудоемок и не гарантирует необходимого качества сборки.
Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение является механизация и автоматизация способа формирования объемно армирующих каркасов 4D структуры уз углеродных стержней.
Технический результат: увеличение производительности за счет автоматизации процесса сборки, улучшение качества за счет гарантированной параллельности горизонтальных слоев каркаса и точности расположения в пространстве стержней каркаса.
Известен способ создания армирующих каркасов углерод-углеродного материала в виде ортогональной структуры, методом плетения углеродной нитью (2) патент РФ №2498962. Изобретение относится к эрозионностойким теплозащитным композиционным материалам и может быть использовано для создания деталей защиты поверхностей гиперзвуковых спускаемых аппаратов (ГСА). Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) выполнен в виде четырехнаправленной пространственной структуры с гексагональной трансверсально-изотропной укладкой армирующих элементов. В качестве армирующих элементов использованы нити углеродные трощеные. Укладка трансверсальных слоев выполнена нитью (7) линейной плотностью γt=(300÷420) текс, а гексагональная укладка выполнена нитью (8) линейной плотностью γg=(3÷4)⋅γt. Расстояние между ближайшими армирующими элементами в каждом трансверсальном слое составляет величину, равную толщине нити линейной плотностью γg, а расстояние между трансверсальными слоями одинакового направления составляет величину, равную 2δ, где δ - толщина нити линейной плотностью γt. Технический результат заключается в повышении плотности армирующего каркаса и улучшении эксплуатационных характеристик УУКМ.
Недостатком данного каркаса является трудоемкий процесс его изготовления.
Известен способ формирования 3D каркаса многомерно армированного углеродного композиционного материала (3), выбранный за прототип. Способ включает в себя набор и выкладку стержней из углеродного волокна, отличающимся тем что предварительно изготовленные из углеродного волокна стержни нарезаются длиной равной высоте направления Z будущего изделия, устанавливаются вертикально в плиту-кондуктор с отверстиями необходимого диаметра, расположенные взаимно перпендикулярными рядами, будущие горизонтальные стержни каркаса нарезаются в виде заготовок длиной, кратной нескольким длинам стержней направления X, раскладываются горизонтально параллельно направлению X в количестве, равном необходимому количеству стержней каркаса направления X, с шагом по оси Y, равном шагу расположения отверстий по оси Y кондуктора для установки стержней направления Z таким образом, чтобы оси заготовок стержней направления X располагались между стержнями направления Z, затем от заготовок отрезаются стержни необходимой для формирования направления X длины и перемещают их вдоль направления X с ограничением возможности их перемещения по другим направлениям в зону их окончательного расположения, все стержни уложенного ряда поджимаются единым для всех стержней прижимом до их расчетного положения по оси Z механического устройства, имеющего возможность перемещения прижима до заданного положения, равного расчетному уровню стержней очередного уложенного ряда, затем в той же последовательности действий проводится укладка стержней в направления Y, поочередно укладываются в каркас горизонтальные стержни направлений X и Y в количестве циклов определяемых размером собираемого каркаса по оси Z. Так же в прототипе описано устройство для формирования 3D каркаса многомерно армированного углеродного композиционного материала, включающее два одинаковых взаимно перпендикулярных узла подачи стержней с направлениями X и Y каркаса и узел поджатая горизонтальных стержней с тремя плитами-кондукторами вертикальных стержней направления Z.
Недостаток в том, что таким способом нельзя собирать 4D армированные каркасы (при том, что в ряде случаев 4D армированные композиты имеют большие эксплуатационные преимущества по сравнению с 3D армированными композитами), а попытки перенести описанные в патенте принципы приводят к большой потере материала в виде отходов. А при сборке вручную - низкая производительность труда и точность сборки.
Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение является механизация и автоматизация способа формирования объемно армирующих каркасов 4D структуры из углеродных стержней.
Технический результат: увеличение производительности за счет автоматизации процесса сборки, улучшение качества за счет гарантированной параллельности горизонтальных слоев каркаса и точности расположения в пространстве стержней каркаса.
Поставленные задачи решаются следующим образом:
Предлагаемый способ формирования 4D каркаса многомерно армированного углеродного композиционного материала осуществляется путем набора и выкладки стержней из углеродного волокна и отличается тем, что будущие горизонтальные стержни каркаса нарезаются в виде заготовок заданной длины для 4D структуры.
Способ формирования 4D каркаса многомерно армированного углеродного композиционного материала, осуществляемый в заявляемом устройстве, включающий установку вертикально в совмещенные три плиты кондуктора с отверстиями необходимого диаметра узла формирования каркаса стержней, нарезанных длиной равной высоте направления Z будущего изделия, нарезку необходимого количества будущих горизонтальных стержней определенной длины, раскладку их параллельно направлению X между рядами стержней направления Z. Затем от заготовок отрезают стержни необходимой для формирования направления X длины и перемещают их вдоль направления X с ограничением возможности их перемещения по другим направлениям в зону их окончательного расположения, поджим до их расчетного положения по оси Z единым для всех стержней прижимом механического устройства, имеющего возможность перемещения прижима до заданного положения, равного расчетному уровню стержней очередного уложенного ряда, укладку в той же последовательности стержней в направления Y, отличающейся тем, что площадь перфорации плиты-кондуктора ограничена правильным шестиугольником с диаметром вписанной окружности не менее диаметра будущей детали, ряды укладки стержней в горизонтальной плоскости расположены под углами 0°, 60°, 120°, горизонтальные стержни каркаса нарезают в виде заготовок длиной, кратной сумме длин большой диагонали и стороны правильного шестиугольника, ограничивающего зону перфорации плиты-кондуктора, нарезанные стержни раскладывают горизонтально параллельно направлению X,Y,R в количестве, равном необходимому количеству стержней каркаса направления X,Y,R с шагом, равным шагу расположения рядов отверстий перфорации плиты-кондуктора таким образом, чтобы оси заготовок стержней направления X,Y,R находились между стержнями направления Z, а укладка стержней в направления R проводится в той же последовательности что и в направлениях X и Y, причем горизонтальные стержни направлений X, Y, R поочередно укладываются в каркас в количестве циклов определяемых размером собираемого каркаса по оси Z. На фиг. 1 показан полученный предлагаемым способом 4D каркас многомерно армированного углеродного композиционного материала.
Данный способ формирования 4D каркаса многомерно армированного композиционного материала осуществляется на предлагаемом устройстве.
Устройство (фиг. 2) включает в себя узел подачи горизонтальных стержней (поз.1) с направлением X (Y, R) каркаса и узел формирования каркаса (поз.2) с функциями фиксации вертикальных стержней Z и поджатая горизонтальных стержней (X, Y, R) и угловой ориентации каркаса относительно оси Z.
Узел подачи (фиг. 3) состоит из:
- двух кондукторов заготовок (поз.3) (далее по тексту - кондуктор 1 и кондуктор 2),
- кондуктора горизонтальных стержней (поз.4) (далее по тексту кондуктор 3),
- прижимов заготовок (поз.5) (далее по тексту прижимы 1),
- толкателя заготовок (поз.6) (далее по тексту толкатель 1),
- резака (поз.7),
- прижима стержней (поз.8) (далее по тексту прижим 2),
- толкателя стержней (поз.9) (далее по тексту толкатель 2),
- механизма перемещения кондукторов заготовок (поз.10),
- направляющих кондуктора стержней (поз.11),
- стола, на котором размещены вышеуказанные приспособления (поз.12).
Кондукторы 1 и 2 представляет собой прямоугольные планки одинаковой ширины (суммарная ширина их должна быть достаточна для размещения заготовок стержней в количестве, равном количеству горизонтальных стержней одного слоя каркаса с шагом, равном шагу каркаса) длиной не менее длины заготовки горизонтальных стержней плюс длина толкателя 1. Верхняя плоскость планок имеет продольные пазы во всю длину в количестве суммарном на двух планках, равном количеству горизонтальных стержней одного слоя. Ширина пазов планок должна быть достаточной для свободного перемещения по ним горизонтальных стержней, глубина не менее диаметра стержня. Пазы расположены равномерно. Шаг в пазах должен быть равен шагу каркаса. Прижим 1 представляет собой прямоугольную планку, позволяющую заготовкам стержней свободно перемещаться по пазам, но не позволяющую им при движении выйти из паза. Резак 1 - устройство для отделения рабочей длины стержней от заготовки, выполненное таким образом, чтобы минимально деформировать стержни при резке. Толкатель 1 представляет собой планку с одной плоской толкающей поверхностью, перпендикулярной направлению перемещения заготовок горизонтальных стержней и одной фигурной толкающей стороной. Фигурная толкающая сторона имеет выступ в форме равнобедренного треугольника с основанием, равным ширине толкателя и высотой, равной разности большой диагонали шестиугольника, ограничивающего набор одного слоя горизонтальных стержней каркаса и стороны этого шестиугольника.
На боковых сторонах фигурного выступа выполнены одинаковые вертикальные вырезы, симметричные относительно плоскости симметрии толкателя. Общее количество вырезов должно быть равно количеству стержней каждого горизонтального слоя. Геометрия и расположение каждого выреза выполнены таким образом, чтобы одна из сторон выреза была перпендикулярна оси толкаемого стержня и имела ширину, исключающую соскальзывание с нее стержня. Толкатель имеет на нижней поверхности выступы. Их количество и с размеры должны быть равны суммарному количеству и размерам пазов в кондукторах 1 и 2. При этом при опускании выступов толкателя в пазы кондуктора должно обеспечиваться свободное перемещение толкателя вдоль направления перемещения заготовок стержней.
Кондуктор 3 представляет собой прямоугольную планку с вырезом в ближней к собираемому каркасу стороне. Вырез кондуктора должен повторять геометрию собираемого каркаса. Длина кондуктора 3 должна быть такой, чтобы размер от угла выреза (120°) до противоположной стороны был не менее длины наибольшего горизонтального стержня плюс длина толкателя 2. Кондуктор 3 имеет возможность перемещаться по направляющим вдоль направления перемещения заготовок. Толкатель 2 представляет собой планку, в поперечном сечении имеющую геометрию одинаковую с геометрией поперечного сечения толкателя 1. Одна из сторон планки имеет фигурный вырез (в плане) одинакового профиля с вырезом кондуктора 3. По боковым образующим этого выреза выполнены вертикальные вырезы, аналогичные вертикальным вырезам толкателя 1.
Механизм перемещения кондукторов 1 и 2 представляет собой устройство, позволяющее после каждого цикла подачи заготовок менять взаимное положение планок кондукторов 1 и 2 таким образом, что кондуктор 1 займет место кондуктора 2, и, наоборот, с точным позиционированием положения пазов для укладки заготовок относительно стержней Z собираемого каркаса. После следующего цикла подачи заготовок они вернутся обратно. И так в течение всего времени сборки каркаса.
Узел формирования каркаса (фиг. 4), состоящий из каретки (поз.13), рамы (поз.14), стола (поз.15) аналогичен изобретению по прототипу. Плиты-кондукторы с вертикальными отверстиями, расположение которых в горизонтальной плоскости повторяет расположение вертикальных стержней направления Z собираемого каркаса, в отличие от прототипа, имеют отверстия в горизонтальной плоскости, расположенные с взаимным положением рядов под углом 60°. Устройство работает следующим образом:
Углеродные стержни диаметром 1,2 мм получали из углеродного волокна ВМН-4 на стержневой машине. Связующим был выбран водный раствор поливинилового спирта (ПВС), соотношение ПВС: вода 1:6, температура отверждения была равной 200°С, длина готовых стержней составляла 1,5 м.
Установку вертикальных стержней каркаса производили следующим образом: Готовые углеродные стержни устанавливали в направлении Z в узел поджатая стержней. Для этого необходимо совместить три плиты кондуктора вертикальных стержней, затем в пазы вставить вертикальные стержни, опустить и закрепить фиксатор вертикальных стержней, выставить исходное положение по оси Z узла поджатая с помощью привода вертикального перемещения подвижной станины.
Установку горизонтальных стержней направлений X, Y, R в каркас производили следующим образом:
Заготовки горизонтальных стержней укладывали в зафиксированные кондукторы заготовок. Устанавливали прижимы, исключающие выпадение заготовок из пазов кондуктора. Фигурным концом толкателя заготовок передвигали заготовки на расстояние, равное длине горизонтальных стержней. При этом выступающие (передние) концы заготовок перешли в направляющие пазы кондуктора стержней. Резаком отрезали стержни нужной длины. При этом благодаря тому, что толкали заготовки не плоской стороной толкателя, а фигурной, а режущая кромка резака прямая, длина отрезанных стержней оказалась разной. В центре каркаса оказались горизонтальные стержни наибольшей длины, равной большой диагонали шестиугольника каркаса плюс технологические припуски; на периферии (с двух сторон) оказались горизонтальные стержни наименьшей длины, равной стороне шестиугольника плюс технологические припуски. Между наибольшими и наименьшими стержнями оказались стержни разной длины с равномерным уменьшением от наибольшей к наименьшей. Соответственно, оставшиеся части заготовок получались также разной длины - в центре самые короткие, на периферии кондуктора заготовок - самые длинные.
После обрезки стержней кондуктор стержней вместе с ними перемещали до упора в собираемый каркас, затем фигурной стороной толкателя стержней стержни перемещали в тело каркаса. Затем средней плитой узла поджатия поджимали уложенный ряд горизонтальных стержней до занятия ими расчетного положения в каркасе.
Аналогично прототипу производили прижатие горизонтально ряда.
Планки кондукторов заготовок вместе с оставшимися в них обрезками заготовок с помощью механизма перемещения кондукторов меняли местами. В результате этого самые длинные обрезки оказались в центре кондуктора, самые короткие на перифериях. Затем заготовки плоской стороной толкателя 1 перемещали на нужную длину в пазы кондуктора 2 и отрезали резаком. На кондукторе 2 оказался тот же набор стержней с тем же их взаимным расположением, как и после первого реза (в центре самые длинные, соответствующие большой диагонали шестигранника каркаса, на перифериях самые короткие, соответствующие стороне шестигранника). Далее толкателем 2 перемещали стержни в тело каркаса и далее - как в первом цикле. Следующую партию заготовок перемещали фигурной стороной толкателя 1 (без взаимного перемещения кондукторов 1 и 2). Следующую - плоской стороной (предварительно поменяв местами кондуктора 1 и 2) и так - насколько хватало длины заготовок. После этого укладывали новую партию заготовок. И так - до полной сборки каркаса.
Благодаря расчетным формам толкателей 1 и 2, описанному алгоритму последовательности перемещения заготовок разными сторонами толкателя 1 и смене положений кондукторов 1, а также расчетной длине заготовок удалось собрать шестигранный каркас с минимальным количеством отходов горизонтальных стержней.
Выводы: Предложенный способ формирования 4D каркаса многомерно армированного углеродного композиционного материала и устройство для его осуществления увеличивает производительность труда на 30% за счет механизации и автоматизации процесса сборки. Повышает качество изготовления каркаса за счет увеличения точности окончательного расположения стержней в каркасе и их прямолинейности, что в свою очередь позволяет снизить разброс свойств изделия (образца композитного материала) и в дальнейшем позволяет получить более надежную конструкцию изделия из композитной заготовки с меньшим процентом отхода материала.