СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ
METHOD OF MAKING 3D ARTICLES FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области композиционных материалов с полимерной матрицей и может быть использовано в производстве объемных изделий, например, для технологических трубопроводных и воздушных сетей, включая фасонные части таких систем (отводы, тройники, переходы и т.п.), емкостного оборудования, защитных корпусов и кожухов оборудования, машин и механизмов, корпусов лодок и катеров, обтекателей, деталей транспортного машиностроения и др.
Известен способ производства объемных изделий из композитов (Баталов А.А. и др. «Композиционные материалы: строение, получение, применение». Учеб. пособие. - М., Университетская книга; Логос. - 400 с. 2006 г.).
Известный способ характеризуется тем, что на заранее приготовленную форму различными методами, например ручным ламинированием, напылением, намоткой и др., наносят заданную толщину термореактивной смолы с армирующими материалами. После полимеризации смолы готовое изделие снимают с формы.
Известный способ требует применения формы - оснастки, которая в особенности для крупногабаритных и пространственно сложных изделий из композиционных материалов представляет собой весьма сложное и дорогостоящее инженерное изделие. Ее изготовление требует высокотехнологичного оборудования и инструментов, а обслуживание - высококвалифицированного персонала. Более того, для тиражирования изделий с требуемым качеством форма-оснастка требует соответствующего постоянного обслуживания. Задача настоящего изобретения заключается в упрощении способа изготовления объемных изделий любой пространственной конфигурации из композиционных материалов.
Заявленный способ изготовления объемных изделия из композитов заключается в том, что герметичный баллон из водогазонепроницаемого эластичного материала, выполненный по форме изготавливаемого изделия, помещают внутрь контура изготавливаемого изделия, выкроенного из формообразующего армирующего материала, поверхность которого пропитывают термореактивной смолой холодного отверждения, и в течение времени полимеризации смолы в герметичный баллон подают рабочую среду под давлением, достаточным для придания контуру из формообразующего армирующего материала заданной формы и размеров изделия. В частном случае осуществления способа между контуром формообразующего армирующего материала и герметичного воздухонепроницаемого баллона, выполненного из термопластичного материала, помещают конструкционный материал, который совместно с формообразующим материалом пропитывают термореактивной смолой холодного отверждения, а в герметичный баллон подают рабочую среду, размягчающую термопластичный материал баллона.
Изобретение позволяет получить объемное изделие, имеющее внутренний непроницаемый контур, изготовленный по форме изготавливаемого изделия, выполняющий функции баллона для подачи давления, а также контур из формообразующего армирующего материала, изготовленный согласно форме изготавливаемого изделия, пропитанный термореактивной смолой холодного отверждения. Форма, размеры и эксплуатационные характеристики такого изделия сохраняются на годы, причем с припуском, заданным при раскрое материала. В идеале можно добиться изготовления изделий с допусками, приравненными к посадочным размерам изделия. Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в изготовления объемных изделий любой пространственной конфигурации из композиционных материалов без использования формы-оснастки.
Способ позволяет формировать дополнительные контуры из материалов, расширяющих эксплуатационные свойства изделия, например контур из конструкционного материала, обеспечивающего химстойкость и износостойкость получаемого изделия. В этом случае баллон изготавливают из термопластичного материала, а в баллон подают рабочую среду, подогретую до температуры его размягчения. Благодаря внутреннему давлению и температуре наружная часть термопластичной оболочки баллона размягчается и проникает между волокнами формообразующего материала. Получается так называемый армированный термопластичный материал. Полученную «надутую» конструкцию выдерживают до до комнатной температуры, при этом внутреннее давление рабочей среды сохраняется неизменным. Остывший термопластичный контур приобретает форму изделия, на наружную часть которого в жидком виде наносят термореактивную смолу с введенной в нее системой отверждения. Смола пропитывает формообразующий материал и наружную поверхность конструкционного контура, точнее ту ее часть, которая не пропиталась размягченным термопластичным материалом баллона. После полимеризации смолы получается трехслойное изделие, состоящее из термопластичного, конструкционного и формообразующего контуров композиционного изделия.
Для изготовления объемных изделий из композиционных материалов используют следующие материалы. В качестве водогазонепроницаемого эластичного материала для герметичного баллона - резиновый или силиконовый материал, а также полиэтиленовую, полипропиленовую и другие термопластичные пленки. В качестве формообразующего материала - тканые материалы, например стеклоткань, углеткань и другие. В качестве конструкционного материала дополнительного контура для изготовления изделия по п.2 формулы - нетканые материалы, например стекломат, комбимат и др. Число слоев и тип материала выбирают исходя из необходимости обеспечения заданной прочности и толщины изготавливаемого изделия. Выкройку из водогазонепроницаемого материала заклеивают или запаивают по контуру, соответствующему форме изготавливаемого изделия. Выкройку конструкционного материала прошивают по местам, определяющим контур изготавливаемого изделия. В качестве рабочей среды можно использовать сжатый воздух, газ, пар, воду и др. Для ускорения полимеризации и соответственно повышения производительности способа рабочую среду можно подавать в баллон с температурой, рекомендованной для каждого конкретного вида смол фирмами-производителями.
ПРИМЕР 1. Заявленным способом изготавливают трубу переменного сечения. В соответствии с формой изготавливаемой трубы из полиэтиленовой пленки выкраивают и заклеивают по контуру герметичный водогазонепроницаемый баллон. Из стеклоткани выкраивают и прошивают контур трубы, в него вставляют баллон, контур пропитывают полиэфирной смолой при температуре +23°С, а в баллон через ниппель подают воздух под давлением 0,2-0,3 МПа в объеме, равном объему внутренней полости изготавливаемой трубы. После окончания полимеризации смолы трубу охлаждают и после заключительных отделочных операций используют по назначению.
ПРИМЕР 2. Заявленным способом изготавливают цилиндрическую емкость. В соответствии с формой емкости из полиэтиленовой термопластичной пленки выкраивают и заклеивают по контуру герметичный водогазонепроницаемый баллон. Из стеклоткани выкраивают и прошивают контур емкости, в него вставляют баллон. Между баллоном и контуром емкости размещают конструкционный контур из стекломата. В баллон под давлением 0,2-0,3 МПа в объеме, равном внутреннему объему изготавливаемой емкости, подают воздух, подогретый до температуры +60°С. Полученный контур выдерживают до комнатной температуры и на его наружную поверхность наносят жидкую эпоксивинилэфирную смолу с введенной в нее системой отверждения. После полимеризации смолы получают емкость с повышенной износостойкостью.
В технически обоснованных случаях может найти применение изделие, в котором на основной контур из формообразующего армирующего материала, пропитанный теромореактивной смолой, нанесен дополнительный слой из термоусадочной пленки. В этом случае баллон также изготавливают из термопластичного материала, а подаваемую в баллон рабочую среду подогревают до температуры его размягчения. В процессе формования изделия одновременно происходит полимеризация формообразующего термореактивного материала и усадка нанесенного на него слоя из термоусадочной пленки. Подаваемый в баллон сжатый нагретый воздух размягчает термопластичный материал баллона, который за счет давления вдавливается в формообразующий материал, создавая комбинированный армированный термопластичный контур. За счет тепла рабочей среды происходит усадка термопластичной пленки, обжимающей пропитанный смолой армированный формообразующий контур, придавая изделию необходимую прочность, жесткость и декоративность. Поскольку внутреннее давление в баллоне гораздо выше, чем наружное обжимающее, усадка термопластичной пленки не приведет к изменению формы изделия.
В качестве примера приведен способ изготовления газохода. В соответствии с формой газохода из полиэтиленовой термопластичной пленки выкраивают и заклеивают по контуру герметичный водогазонепроницаемый баллон. Из плотного армирующего материала - препрега, пропитанного термореактивной смолой холодного отверждения, выкраивают и прошивают контур газохода, на наружную поверхность которого наносят термоусадочную пленку. В полученный контур вставляют баллон, в который под давлением 0,2-0,3 МПа в объеме, равном внутреннему объему изготавливаемого газохода, подают воздух, подогретый до температуры +60°С. В результате одновременно происходит размягчение термопластичного баллона, вдавливание этого материала за счет давления рабочей среды в формообразующий материал и усадка термоусадочной пленки, нанесенной на пропитанный смолой препрег. Получают газоход с повышенной прочностью, жесткостью и декоративностью.
Таким образом, заявленный способ позволяет изготавливать объемные изделия из композиционных материалов различной пространственной конфигурации с заданными свойствами без использования специальных форм.