Устройство для формования изделий из композиционных материалов методом вакуумной инфузии

Полезная модель относится к области изготовления изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), а именно к устройствам для вакуумной инфузии, предназначенным для формования композитных изделий методом инжекции, и может найти применение в аэрокосмической, 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.
Известен способ и устройство для изготовления армированных волокном деталей инжекционным методом. Заявленный способ реализуется на устройстве, которое содержит форму, предназначенную для размещения волокнистой заготовки, газопроницаемую и не проницаемую для смолы мембрану, которая охватывает заготовку и образует первую полость с возможностью подачи в нее смолы, и расположенное на поверхности заготовки вспомогательное приспособление для уменьшения сопротивления потоку, смежную с первой полостью вторую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства не проницаемой для газа и смолы пленкой. При откачивании воздуха из второй полости обеспечивается поступление смолы в вакуумированную первую полость за счет всасывания под действием разрежения из расходной емкости, а также распределение смолы с помощью вспомогательного приспособления для уменьшения сопротивления потоку и проникновения смолы в заготовку.
Устройство позволяет исключить образование пор в изделиях и не требует установки ловушек для смолы, предотвращающих повреждение вакуумного насоса (Патент РФ №2217312, опубл. 27.11.2003 г.).
Недостатком данного устройства является сложность его конструкции вследствие использования дополнительного приспособления для уменьшения сопротивления потоку связующего.
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, является низкая производительность процесса вакуумной инфузии, обусловленная невозможностью технического регулирования температуры в процессе пропитки и отверждения связующего. Для ускорения отверждения композитного изделия в данном случае устройство может быть целиком помещено в стационарную печь, что не всегда представляется возможным, в частности, для крупногабаритных композитных изделий.
Известно, что время отверждения эпоксидного связующего зависит от вида отвердителя и температуры. Эпоксидные смолы, полимеризующиеся при комнатной температуре, окончательно отверждаются ориентировочно спустя 72 часа при 20°С. При комнатной температуре эпоксидная смола достигает от 60 до 80% окончательной прочности спустя 24 часа. Далее смола продолжает набирать твердость и прочность в течение двух недель.
Реакция отверждения (полимеризации) эпоксидной смолы является экзотермической реакцией, в ходе которой выделяется тепло, которое, в свою очередь, ускоряет реакцию полимеризации. В соответствии с правилом Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10°С константа скорости гомогенной элементарной реакции возрастает в 2-4 раза. При этом параллельно с процессом отверждения изделия идет процесс повышения вязкости связующего, который определяется временем желатинизации (гелеобразования), по истечении которого, смола перестает быть жидкостью и приобретает трехмерную сшитую структуру. Важно, чтобы за это время успел полностью завершиться процесс пропитки волокнистого наполнителя.
Время жизнеспособности смолы до ее отверждения зависит не только от температуры, но также от площади поверхности изделия. Этот эффект объясняется сравнительно большой теплопередачей в окружающую атмосферу теплоты с поверхности крупногабаритных изделий (большинство изделий вакуумной инфузии). При этом экзотермическая реакция не может ускорить процесс отверждения смолы, т.к. большая часть теплоты уходит в воздух. Таким образом, выбор температуры нагрева связующего для оптимизации процесса вакуумной инфузии композитных изделий является важной эмпирической задачей, поскольку температура нагрева зависит от множества разных факторов.
В основу заявленной полезной модели положен технический результат - улучшение пропитки изделий из волокнистых композиционных материалов в процессе вакуумной инфузии.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение качества изготавливаемого композитного изделия за счет улучшения пропитки сухого ламината, вследствие чего уменьшается пористость готового композитного изделия и достигается лучшее соотношение связующее/наполнитель.
Наличие встроенных в оснастку трубчатых электронагревателей позволяет производить точную установку и регулировку температуры пропитки в процессе вакуумной инфузии и в процессе отверждения связующего в композитном изделии, что в целом позволяет повысить качество получаемых изделий, а также увеличить производительность процесса вакуумной инфузии за счет сокращения времени отверждения изделия.
Технический результат достигается тем, что устройство для формования изделий из композиционных материалов методом вакуумной инфузии, содержащее рабочую оснастку с формообразующей поверхностью для выкладки ламината из армирующего материала, поверх которого собран технологический пакет, включающий слой жертвенной ткани, распределительную сетку с расположенной сверху линией подачи эпоксидного связующего, накрытую вакуумной пленкой с возможностью герметичного соединения с формообразующей поверхностью рабочей оснастки посредством расположенных по ее периметру герметизирующих жгутов, и вакуумную линию для откачки воздуха из технологического пакета, снабжено встроенными в рабочую оснастку трубчатыми электронагревателями, предназначенными для точной регулировки температуры в процессе инфузии и в процессе отверждения композитного изделия.
Устройство поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для формования изделий из композиционных материалов методом вакуумной инфузии.
1
2
На фиг. 2 - график изменения температур Τ и Т по времени.
На фиг. 3 - сводная диаграмма испытаний полученных композитных образцов.
Устройство для формования изделий из композиционных материалов методом вакуумной инфузии 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 для связующего, 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 и трубку 8 подачи эпоксидного связующего, при этом устройство снабжено встроенными в рабочую оснастку 1 трубчатыми электронагревателями (ТЭН) 9, предназначенными для точной регулировки температуры в процессе инфузии и в процессе отверждения композитного изделия. Кроме этого, устройство может содержать термопары 10.
Устройство для изготовления изделий методом вакуумной инфузии волокнистых 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. 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 Τ в диапазоне 57°С≤T≤63°С для увеличения текучести эпоксидного связующего. Контроль температуры осуществляется через предварительно уложенные в ламинат 2 термопары 10.
1
2
2
Температуру Τ 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 Τ 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 то же время температура Τ≥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 постотверждения 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.
Работа устройства для изготовления изделий методом вакуумной инфузии волокнистых 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 Τ, 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. 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.
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 образцов первой (обычная оснастка без прогрева) и второй группы (образцы, изготовленные на оснастке со встроенными ТЭН) представлены в виде сводной сравнительной диаграммы на фиг. 3. Из диаграммы видно, что образцы 2, изготовленные на оснастке с встроенными ТЭН имеют в среднем более высокие физико-механические характеристики по сравнению с образцами 1 (оснастка без прогрева): 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%.
Кроме того, наличие встроенных ТЭН 9 позволяет отказаться от использования стационарных печей, что сокращает время на перемещение оснастки для прогрева и освобождает производственные площади.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышение качества изготавливаемого композитного изделия с повышенными физико-механическими характеристиками способом вакуумной инфузии за счет улучшения пропитки.
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 волокнистых композиционных материалов с повышенными физико-механическими характеристиками способом вакуумной инфузии за счет улучшения пропитки;
- 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.