ОСНАСТКА ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области формования изделий из полимерных композиционных материалов и может найти применение в аэрокосмической, судостроительной и других отраслях промышленности.
Известна форма для изготовления крупногабаритных изделий переменного профиля, содержащая основание, поддерживающие ребра заданного профиля и перпендикулярно им уложенные стержни, образующие рабочую поверхность, в которой, с целью упрощения изготовления изделий с большим перепадом кривизны, стержни, образующие участки с меньшей кривизной, имеют круглое сечение, а образующие участки большей кривизны - эллиптическое, большая ось которого равна диаметру круглого стержня (патент РФ №1070813).
Недостатком известного устройства является невозможность изготовления изделий вне автоклава или обогреваемой печи, плохое качество изделий за счет нагрева изделия сверху.
Известна обогреваемая форма для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов, состоящая из металлической оболочки, соединенной с жестким каркасом, при этом между ними имеется пространство шириной 10 мм, в котором расположена эластомерно-полимерная жидкостная рубашка с каналами для теплоносителя (заявка США №2006275526).
Недостатком известного устройства является сложность его изготовления, необходимость наличия отдельного устройства для нагрева теплоносителя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству, принятым за прототип, является оснастка для формования изделий из полимерных композиционных материалов, содержащая каркас и формообразующую оболочку, состоящую из многослойного стеклопластика, закрепленного на каркасе оснастки и дополнительных усиливающих слоев из гибкого тонколистового полимерного композиционного материала или препрега (патент РФ №2188126).
Недостатком этого устройства является необходимость его использования только в автоклаве или печи, возможность коробления формы и изготавливаемого изделия при нагреве. Кроме того, нагрев изделия в автоклаве или печи идет в первую очередь сверху, со стороны изделия, при этом само изделие также прогревается сверху, такое направление прогрева приводит к затрудненному удалению из изделия летучих веществ, т.е. к повышенной пористости, а, следовательно, к уменьшению механической прочности изделия.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, позволяющего изготавливать изделия из полимерных композиционных материалов вне автоклавов или печей, т.е. уменьшить стоимость изготовления; уменьшить или полностью устранить коробление оснастки для формования, и, соответственно, изготавливаемого изделия; уменьшить пористость изделия и увеличить его механическую прочность.
Для решения поставленной задачи предложена оснастка для формования изделий из полимерных композиционных материалов, содержащая каркас и формообразующую оболочку из многослойного стеклопластика, закрепленную на каркасе, в которой между слоями стеклопластика формообразующей оболочки размещен по крайней мере один электропроводящий слой из углеродного материала для нагрева формообразующей оболочки, оснастка дополнительно содержит теплоизолирующий слой, расположенный между каркасом и формообразующей оболочкой.
Электропроводящий слой формообразующей оболочки из углеродного материала подключен к источнику электрического питания и является центральным слоем формообразующей оболочки.
Электропроводящий углеродный слой выполнен из отдельных участков, соединенных между собой последовательно или параллельно.
Оснастка может дополнительно содержать теплопроводящие слои из углеродного материала между слоями стеклопластика.
Теплоизолирующий слой представляет собой трехслойную панель из стеклопластиковой обшивки и сотового заполнителя.
Теплоизолирующий слой имеет дополнительный слой из алюминиевой фольги.
Полезная модель поясняется чертежами
На Фиг.1 представлена оснастка для формования изделий из полимерных композиционных материалов (вид спереди). Оснастка для формования включает:
1 - формообразующую оболочку;
2 - каркас;
3 - электропроводящий слой;
4 - Теплоизолирующий слой;
5 - теплопроводящие слои из углеродного материала;
6 - слои из стеклопластика (диэлектрические слои);
На Фиг.2 представлен общий вид оснастки для формования изделий из полимерных композиционных материалов.
На Фиг.3 показан электропроводящий слой 3, выполненный из отдельных участков 7, соединенных между собой последовательно (а) или параллельно (b), подключенный к источнику электрического питания 8.
На Фиг.4 показан теплоизолирующий слой включающий: трехслойную панель 9 из стеклопластиковой обшивки 10 и сотового заполнителя 11, и дополнительный слой из алюминиевой фольги 12.
Формообразующую оболочку 1 жестко закрепляют на каркасе 2 и выкладывают на нее слои препрега из композиционного материала. Герметичный вакуумный мешок закрепляют к формообразующей оболочке 1 по ее внешнему контуру. Электропроводящий слой 3 подключают к источнику электрического питания 8 и осуществляют нагрев слоев препрега, одновременно осуществляют вакуумирование герметичного вакуумного мешка для создания давления на формуемые слои препрега. Выделяемое в электропроводящем слое 3 тепло распределяется теплопроводящими слоями 5 равномерно по площади оснастки. Теплоизолирующий слой 4, расположенный на каркасе 2 под формообразующей оболочкой 1 состоящий из трехслойной панели 9, включающую стеклопластиковую обшивку 10 и сотовый заполнитель 11, с нанесенной на его внешнюю поверхность фольгой 12, предотвращает потери тепла с нижней поверхности оснастки. За счет того, что электропроводящий слой 3 из углеродного материала является центральным слоем формообразующей оболочки 1, значительно уменьшается коробление оснастки для формования.
Предлагаемое устройство было изготовлено и опробовано в лабораторных условиях.
Пример 1. Была изготовлена экспериментальная оснастка для формования с размером формообразующей поверхности 2000×500 мм и радиусом кривизны R=5000 мм. Слои стеклопластика (диэлектрические слои) выполняли из стеклоткани Т-10-14 (ГОСТ 19170-2001) на связующем ВСО-200 (ТУ 1-595-12-858-2005). Электропроводящий и теплопроводящие слои выполняли из углеткани ЛУП - 0,1 (ГОСТ 280006-88).
Для того, чтобы уменьшить потери тепла с нижней поверхности формообразующей оболочки, снизу, на равном расстоянии (~0,5 см) от нижней поверхности оснастки закрепляли на каркасе 2 Теплоизолирующий слой 4, выполненный из трехслойной панели 9 с сотовым заполнителем 11, с алюминиевой фольгой 12 с зеркальной поверхностью.
На оснастку для формования стеклотекстолита укладывали шесть слоев препрега из стеклоткани Т-10-14, пропитанной связующим ЭДТ-69Н (ТУ 1-595-12-584-2000), которые заключали в вакуумный мешок под давлением 0,08 МПа. Производили нагрев препрега до температуры 125±5°C путем подключения центрального электропроводящего слоя 3 к источнику электрического питания 8.
Образцы из готового стеклотекстолита испытывали на предел прочности при растяжении (ГОСТ 11262-80), средний показатель в партии из 10 образцов в среднем составил 575 МПа.
Пример 2 - по изобретению-прототипу.
Изготавливаемое изделие, материалы, режим изготовления и оснастка для формования соответствуют применяемым в Примере 1. Нагрев изделия осуществляли в печи, т.е. электропроводящий слой не подключали к источнику электрического питания. Результаты испытания на предел прочности при растяжении (ГОСТ 11262-80) в партии из 10 образцов, в среднем составил 460 МПа, что на 20% меньше чем при изготовлении изделия по предлагаемому изобретению. Наблюдалось коробление оснастки, которое отрицательно сказалось на качестве изделия
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет изготовить изделия из полимерных композиционных материалов без применения дорогостоящего технологического оборудования для формования -автоклавов или печей, тем самым снизить стоимость изготовления изделий. Расположение центрального электропроводящего слоя, теплопроводящих и диэлектрических слоев позволяет уменьшить коробление оснастки и соответственно изготавливаемого изделия.
Предлагаемая обогреваемая оснастка создает направление прогрева формуемого изделия из композиционного материала снизу, что позволяет легко удалить летучие вещества из препрега, а, следовательно, снизить пористость полученного изделия и увеличить его прочность.
Применение оснастки для формования изделий из полимерных композиционных материалов позволит повысить надежность и долговечность готовых изделий в эксплуатации, а также снизить потребление электрической энергии при формовании.