Устройство для формования изделий из полимерных композиционных материалов

Полезная модель относится к области изготовления изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), а именно к устройствам для вакуумной инфузии и термокомпрессионного формования композитных изделий, и может найти применение в авиационной, автомобильной, судостроительной и других отраслях промышленности.
Известна установка для формования изделий из ПКМ методом вакуумной инфузии, которая содержит оснастку в виде размещенной на опорной конструкции формы с формообразующей поверхностью для выкладки преформы из армирующего материала, поверх которой собран технологический пакет, включающий слой жертвенной ткани, сверху которого размещена распределительная сетка с расположенной сверху линией подачи полимерного связующего, которая накрыта двумя слоями вакуумной пленки с возможностью герметичного соединения с формообразующей поверхностью оснастки посредством расположенных по ее периметру герметизирующих жгутов, и вакуумную линию для откачки воздуха из технологического пакета, расположенную по периметру оснастки с внутренней стороны от герметизирующих жгутов и подключенную к вакуум-насосу (Патент РФ 2579380, опубл. 10.04.2016 г.)
Недостатком данной установки является выполнение вакуумной линии в виде одноразовых приемных трубок, которые усложняют ее конструкцию, и увеличивают трудоемкость сборки технологического пакета.
Известно устройство для термокомпрессионного формования полимерных композиционных материалов, содержащее контейнер, на форму нижней части которого укладывают препрег («Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технологии» под редакцией А.А. Берлина, Санкт-Петербург, 2008 г., стр. 517). Сверху препрега устанавливают верхнюю часть контейнера с вкладышем из кремнийорганической резины. Контейнер помещается в печь и при нагреве вкладыш расширяется и создает давление на формуемый материал. Недостатком данного устройства является разница давлений на препрег в зонах с большим и малым объемами вкладыша и соответственно разные усилия прессования препрега в этих зонах, что приводит к ухудшению качества и физико-механических свойств композитных изделий.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является выбранная в качестве прототипа установка для формования изделий из полимерных композиционных материалов методом вакуумной инфузии, содержащая оснастку в виде размещенной на опорной конструкции формы с формообразующей поверхностью для выкладки преформы из армирующего материала, поверх которой собран технологический пакет, включающий слой жертвенной ткани, сверху которого размещена распределительная сетка с расположенной сверху линией подачи полимерного связующего, которая накрыта двумя слоями вакуумной пленки с возможностью герметичного соединения с формообразующей поверхностью оснастки посредством расположенных по ее периметру герметизирующих жгутов, и вакуумную линию для откачки воздуха из технологического пакета, расположенную по периметру оснастки с внутренней стороны от герметизирующих жгутов и подключенную к вакуум-насосу, при этом вакуумная линия выполнена в виде вакуумной канавки, которая сформирована в формообразующей поверхности формы оснастки, и в которую уложена металлическая цепь.
Установка для формования изделий из ПКМ методом вакуумной инфузии позволяет упростить сборку технологического пакета за счет выполнения вакуумной линии в виде канавки на формообразующей поверхности формы оснастки (Патент РФ №168899, опубл. 27.02.2017 г.).
Недостатком известного устройства, в том числе технической проблемой, являются низкие физико-механические свойства и качество изделий, обусловленные недостаточной величиной давления вакуума. Устройство не обеспечивает возможности формования крупногабаритных и толстостенных композитных изделий с развитой поверхностью.
Метод вакуумной инфузии использует силу вакуумного давления для ввода смолы в преформу, в качестве которой применяется сухая заготовка на основе волокнистого композита (ламината). Рабочее давление вакуума в вакуумном канале устройства, которое развивает вакуумный насос, не превышает 1 атм. (0,1 МПа). Пропитка ламината и формование изделия при максимальном давлении 0,1 МПа ограничивает технологические возможности метода вакуумной инфузии тонкостенными изделиями простой формы. Указанного давления недостаточно для формования крупногабаритных, толстостенных и разнотолщинных композитных изделий с развитой поверхностью и сложными рельефными конструктивными элементами.
Кремнийорганическая резина (силиконовый эластомер) принадлежит к классу материалов с высоким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Значение ТКЛР кремнийорганической резины составляет ~ 300 мкм/м°С, и практически не меняется до температуры +200°С. Эластичность кремнийорганической резины сохраняется до температуры +280°С.
Изготовление вакуумного мешка из литой кремнийорганической резины эквидистантно повторяющей внешнюю форму изделия, герметично закрытой кожухом из литого оргстекла, также эквидистантно повторяющего внешнюю форму изделия, позволяет за счет расширения кремнийорганической резины в процессе нагрева рабочей оснастки, создавать давления формования до 30 МПа («Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технологии» под редакцией А.А. Берлина, Санкт-Петербург, 2008 г., стр. 517). Давление формования может варьироваться в зависимости от размеров и сложности формы изделия. Суммарное давление, за счет вакуума (на начальном этапе формования) и в результате расширения кремнийорганической резины (на конечном этапе формования) расширяет технологические возможности устройства за счет обеспечения возможности формования крупногабаритных и толстостенных композитных изделий сложной формы с развитой наружной поверхностью. Получаемые изделия имеют равномерную плотность и высокое качество, отсутствуют вздутия, расслоения и непропитанные участки.
В основу заявленной полезной модели положен технический результат - расширение технологических возможностей устройства за счет обеспечения возможности формования крупногабаритных и толстостенных композитных изделий сложной формы с развитой наружной поверхностью.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение качества и физико-механических свойств композитных изделий за счет увеличения давления формования.
Наличие вакуумного мешка из литой кремнийорганической резины герметично закрытого кожухом из литого оргстекла, эквидистантно повторяющих внешнюю форму изделия, позволяет создавать давления, достаточные для формования крупногабаритных и толстостенных композитных изделий сложной формы с высоким качеством и высокими физико-механических свойствами.
Технический результат достигается тем, что устройство для формования изделий из полимерных композиционных материалов, содержащее рабочую оснастку с формообразующей поверхностью для выкладки ламината из армирующего материала, поверх которого собран технологический пакет, включающий слой жертвенной ткани, распределительную сетку, накрытый вакуумным мешком с возможностью герметичного соединения с формообразующей поверхностью рабочей оснастки посредством расположенных по ее периметру герметизирующих жгутов, вакуумный канал для откачки воздуха из технологического пакета и трубку подачи эпоксидного связующего, снабжено кожухом из литого оргстекла, герметично закрепленным на рабочей оснастке прижимными планками, а вакуумный мешок изготовлен из литой кремнийорганической резины, при этом форма кожуха и форма вакуумного мешка эквидистантно повторяют форму наружной поверхности композитного изделия.
Устройство поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 - схематично изображено устройство для формования изделий из композиционных материалов.
1
2
На фиг. 2 - график изменения температур T и Т по времени.
На фиг. 3 - сводная диаграмма испытаний полученных образцов.
Устройство для формования изделий из полимерных композиционных материалов содержит рабочую оснастку 1 с формообразующей поверхностью для выкладки ламината 2 из армирующего, например, волокнистого материала, поверх которого собран технологический пакет, включающий слой жертвенной ткани 3, распределительную сетку 4, накрытый вакуумным мешком 5 с возможностью герметичного соединения с формообразующей поверхностью рабочей оснастки 1 посредством расположенных по ее периметру герметизирующих жгутов 6, вакуумный канал 7 для откачки воздуха из технологического пакета, трубку подачи 8 эпоксидного связующего, встроенные в рабочую оснастку трубчатые электронагреватели (ТЭН) 9 и кожух 10 из литого оргстекла, герметично закрепленный на рабочей оснастке 1 прижимными планками 11, при этом вакуумный мешок 5 изготовлен из литой кремнийорганической резины, а форма кожуха 10 и вакуумного мешка 5 эквидистантно повторяют форму наружной поверхности композитного изделия. Кроме этого, устройство может содержать термопары 12.
Устройство для формования изделий из полимерных композиционных материалов работает следующим образом.
1
1
Перед формованием на рабочую оснастку 1 укладывают ламинат 2 на основе волокнистого композита, поверх ламината 2 выкладывают слои вспомогательных материалов, такие как, жертвенная ткань 3 и распределительная сетка 4. Все уложенные на рабочую оснастку 1 материалы накрывают вакуумным мешком 5, который крепится при помощи герметизирующего жгута 6. Вакуумный мешок 5 изготовлен из литой кремнийорганической резины, и его форма эквидистантно повторяет форму наружной поверхности композитного изделия. Далее над вакуумным мешком 5 с помощью прижимных планок 11 герметично закрепляют на рабочей оснастке 1 кожух 10. Кожух 10 изготовлен из литого органического стекла (полиметилметакрилат) и его форма эквидистантно повторяет форму наружной поверхности вакуумного мешка 5, а, следовательно, композитного изделия. В рабочей полости вакуумного мешка 5 с помещенным в нем ламинатом 2 через вакуумный канал 7 создают разреженное давление, открывают трубку 8 подачи эпоксидного связующего и пропитывают ламинат 2 связующим. После прохождения заданного количества связующего рабочую оснастку 1 вместе с пропитанным ламинатом 2 прогревают при помощи встроенных трубчатых электронагревателей 9 до температуры T в диапазоне 57°С≤T≤63°С для увеличения текучести эпоксидного связующего. Контроль температуры осуществляется через предварительно уложенные в ламинат 2 термопары 12.
На начальном этапе формования давление на волокнистый материал создается за счет вакуума. После включения в работу трубчатых электронагревателей 9 в результате нагрева рабочей оснастки 1 начинает расширяться кремнийорганическая резина вакуумного мешка 5. Поскольку вакуумный мешок 5 герметично закрыт кожухом 10, то увеличение объема кремнийорганической резины возможно только в сторону ламината 2. При расширении кремнийорганической резины возникает дополнительное давление, которое зависит от температуры нагрева рабочей оснастки 1, а именно, чем выше температура нагрева, тем выше давление формования.
1
2
2
Температуру T выдерживают в течение от 10 до 15 минут, в этот промежуток времени связующее имеет хорошую текучесть и лучше допропитывает ламинат. После прекращения выхода лишнего связующего перекрывают вакуумные каналы, далее повышают температуру Т до диапазона 76°С≤Т≤84°С для прохождения процессов полимеризации связующего и его термостатирования.
1
1
1
Диапазон температуры T обусловлен тем, что при температуре T≤57°С вязкость эпоксидного связующего не достигает требуемых значений, что может привести к худшему распределению связующего по ламинату, в тоже время температура T≥63°С ускоряет процесс полимеризации, что снижает время, при котором связующее остается в жидком состоянии.
2
2
2
Диапазон температуры Т обусловлен тем, что при температуре Т≤76°С процесс пост-отверждения проходит не в полной мере, а при температуре Т≥84°С превышает рекомендуемую производителем связующего температуру постотвержения, все выше перечисленное может привести к увеличению продолжительности данного процесса, а также к уменьшению физико-технических характеристик полученного композита.
Давление формования может варьироваться в зависимости от размеров и сложности формы изделия. Суммарное давление, за счет вакуума (на начальном этапе формования) и в результате расширения кремнийорганической резины (на конечном этапе формования) расширяет технологические возможности устройства за счет обеспечения возможности формования крупногабаритных и толстостенных композитных изделий сложной формы с развитой наружной поверхностью. Получаемые изделия имеют равномерную плотность и высокое качество, отсутствуют вздутия, расслоения и непропитанные участки.
Работа устройства для формования изделий из полимерных композиционных материалов поясняется следующим примером.
1
2
Сухой ламинат 2, помещенный в вакуумный мешок 5, в котором создается разреженное давление, пропитывается эпоксидным связующим. Для опытных образцов был выбран ламинат из девяти слоев электроизоляционной стеклоткани 3-го класса Э3-200 и эпоксидное связующее Elan-tech ЕС 157. После прохождения заданного количества связующего, не перекрывая вакуумных каналов, происходит прогрев пропитанного ламината до температуры T, что приводит к повышению текучести связующего и улучшает качество пропитки ламината, снижает количество пор и позволяет избавиться от не пропитанных зон. Дальнейший прогрев до температуры Т необходим для прохождения процессов постотверждения и термостатирования. На фиг. 2 показано изменение температуры по времени.
2,
Для сравнения были изготовлены опытные образцы по технологии вакуумной инфузии на обычной оснастке без прогрева и с использованием вакуумной пленки Airtech Big Blue 75 мкм. После прохождения заданного количества связующего вакуумный канал и канал подачи перекрывались. Пропитанный ламинат оставляли в вакуумном мешке до завершения процесса полимеризации, после чего образцы подвергали процессу термостатирования при температуре Т для этого оснастку с пропитанным ламинатом транспортировали в стационарную печь.
После разборки вакуумных мешков на образце, изготовленном с использованием вакуумной пленки Airtech в радиусных зонах, наблюдались утолщения материала и не соответствие радиальных размеров на не лицевой стороне композитного изделия, из-за не достаточного давления вакуумного мешка на радиусную зону, также местами присутствовали мелкие поры и не пропитанные участки ламината. Образец, изготовленный с использованием кремнийорганической резины в качестве вакуумного мешка, имел лучшую геометрическую повторяемость и меньшее число дефектов в местах радиусных зон.
Дальнейшие исследования физико-механических характеристик, полученных образцов, проводили на испытательном оборудовании фирмы Instron: машина для проведения испытаний на растяжение, изгиб и сдвиг серии 5500 с датчиком №68695 с максимальной нагрузкой до 100 кН; система для измерения параметров испытаний серии 5500 тип 5585 с датчиком №68585 с нагрузкой до 250 кН; система для измерения параметров испытаний серии 5500 тип 5585 с датчиком №68607 с нагрузкой до 250 кН.
Результаты экспериментальных исследований физико-механических характеристик образца, изготовленного на обычной оснастке без прогрева и с использованием вакуумной пленки Airtech и образца, изготовленного на оснастке со встроенными ТЭН и с кремнийорганической резиной в качестве вакуумного мешка, представлены в виде сводной сравнительной диаграммы на фиг. 3. Из диаграммы видно, что образцы, изготовленные на оснастке с встроенными ТЭН и с кремнийорганической резиной в качестве вакуумного мешка, имеют в среднем более высокие физико-механические характеристики по сравнению с образцом, изготовленном на обычной оснастке без прогрева и с использованием вакуумной пленки Airtech: предел прочности на изгиб фиг. 3 (а) больше в среднем на 56%, предел прочности на сжатие фиг. 3 (б) больше в среднем на 78%, предел прочности на растяжение фиг. 3 (в) больше в среднем на 5%.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышение качества и физико-механических свойств композитных изделий за счет увеличения давления формования.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для производства изделий из полимерных композиционных материалов с повышенными физико-механическими свойствами за счет увеличения давления формования.
- материалов с повышенными физико-механическими свойствами за счет увеличения давления формования.
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.