СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО МНОГОСЛОЙНОГО ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2024 года по МПК B29C70/46 B29C51/10 

Изобретение относится к способам формования многослойных изделий из композиционных материалов. Изобретение может быть использовано в производстве изделий из полимерных композиционных материалов, применяемых в приборостроении, автомобильной, авиационной, аэрокосмической, электротехнической, строительной, судостроительной и других отраслях промышленности.

Известен способ изготовления полых панельно-каркасных конструкция по патенту РФ №2030336, опубл. 10.03.1995, включающий изготовление заготовки путем выкладки слоев препрега верхней и нижней обшивок, раскроенных по шаблонам, и формирования каркаса, укладку заготовки в пресс-форму, прессование с помощью оправок, размещенных внутри заготовки, и удаление их из изделия после прессования. Формирование каркаса осуществляют на выложенной послойно на поверхности пресс-формы заготовке нижней обшивки путем последовательной установки выполненных из эластомерного материала цулаг, количество, расположение и форма которых соответствуют данной конструкции межкаркасных участков панелей и выкладки в промежутках между ними и на них элементов каркаса и подкрепляющих элементов, а после формирования каркаса на него укладывают твердые оправки с эластомерной герметичной оболочкой и формируют аналогично верхнюю часть конструкции, причем часть цулаг выполнены с замкнутыми герметичными полостями, частично заполненными легкокипящей жидкостью.

Недостатком известного способа является то, что используют значительное количество цулаг, сложная форма которых приводит к усложнению конструкции оснастки в целом. Использование секционных цулаг приводит к неравномерному распределению усилия, особенно на их стыке, а также в угловых участках.

Известен способ изготовления композитного элемента по патенту RU 2524233, опубл. 27.07.2014, включающий: сборку пакета слоев на укладочном столе, причем каждый из слоев содержит множество армирующих элементов; связывание первой части пакета слоев для формирования частично связанного пакета слоев, причем вторая часть пакета слоев остается несвязанной; прессование частично связанного пакета слоев в полости формы между двумя частями пресс-формы для получения сформованной заготовки, причем слои во второй части пакета в процессе прессования скользят относительно друг друга; введение жидкого связующего материала в сформованную заготовку в полости формы; и отверждение жидкого связующего материала.

Недостатком известного способа является сложность, многоэтапность и длительность процесса.

Известен способ формования из композитного материала пустотелых аэродинамических поверхностей по патенту RU 2674972, опубл. 13.12.2018, включающий укладку в пресс-форму листов армирующего материала, пропитанного связующим веществом, помещение внутрь этих листов эластичной емкости и последующей накачке эластичной емкости, причем в пресс-форму укладывается число эластичных емкостей, на единицу большее числа предусмотренных лонжеронов. Причем все емкости надуваются от одного источника воздушного давления через шланги, длины которых соотносятся обратно пропорционально конечному объему емкостей, или площади поперечного сечения которых соотносятся прямо пропорционально объему образованных лонжеронами полостей.

Недостатком известного способа является необходимость использования сжатого воздуха, что усложняет технологический процесс.

Известен способ изготовления полых конструкций с внутренними стенками по патенту RU 2522725, опубл. 20.07.2014. Способ включает изготовление заготовки путем выкладки слоев препрега верхней и нижней обшивок, раскроенных по шаблонам, и формирование каркаса, укладку заготовки в пресс-форму, состоящую из отдельных формообразующих частей, предварительную опрессовку выложенных заготовок, прессование с помощью оправок и герметичных эластичных мешков, размещенных внутри заготовки, и удаление их из изделия после прессования, выкладку верхней и нижней панелей конструкции производят на соответствующих формообразующих частях пресс-формы, выкладку внутренних стенок и их предварительную опрессовку осуществляют на комбинированной оправке, содержащей жесткое основание и эластичные края, после чего отдельные заготовки со своими формообразующими элементами оснастки собирают в единую заготовку конструкции.

Недостатком известного способа является его применимость лишь для изделий с внутренними стенками.

Известен способ формования изделий из композиционного материала по патенту RU 2603798, опубл. 27.11.2016, включающий выкладку пропитанного связующим волокнистого материала в углубление технологической оснастки и использование уплотняющих элементов из терморасширяющейся резины для создания давления формования, упаковку, нагревание, подачу давления, охлаждение отвержденного изделия и извлечение его из оснастки, при этом объем углубления технологической оснастки выполнен равным или больше объема неуплотненного пропитанного связующим волокнистого материала, формирующего изделие, уплотняющий элемент выполнен из невулканизированной терморасширяющейся резины в виде полосы, перекрывающей углубление технологической оснастки, а давление на резиновый элемент передается через жесткую цулагу, перекрывающую полосу из невулканизированной резины, которая в процессе нагрева и подачи давления через цулагу частично заполняет углубление технологической оснастки, уплотняя пропитанный связующим волокнистый материал и создавая давление формования при его отверждении.

Недостатком известного способа является сложность регулирования давления формования.

Известна сэндвич-композитная панель с сотовым заполнителем и способ ее изготовления международная публикация WO 2021128407, опубл. 01.07.2021. Способ изготовления сэндвич-композитной панели с сотовым заполнителем включает формование полугексональной структуры из пленки термопластичного материала, сборку сотовой структуры из отдельных непрерывных в продольном направлении элементов полугексональной структуры склеиванием под давлением или с использованием ультразвукового нагрева, разрезание плиты с последующим формированием сотового материала из полученных элементов с использованием нагрева, приклеивание верхней и нижней поверхности к материалу сотового заполнителя, термопрессование с последующим охлаждением, чтобы сформировать сэндвич-композитную плиту с сотовой сердцевиной (принят за прототип).

Недостатком известного способа является его сложность и многоэтапность.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание простого высокопроизводительного способа изготовления композитного многослойного пустотелого изделия.

Техническим результатом заявленного технического решения является способ изготовления композитного многослойного изделия, характеризующегося низкой трудоемкостью, сокращением времени изготовления изделий, а также возможностью изготовления различных по размеру и форме сэндвич-конструкций.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления композитного многослойного изделия включает последовательную выкладку в формообразующую оснастку нижнего слоя препрега, слоя сотового заполнителя, верхнего слоя препрега с последующим термопрессованием и охлаждением, при этом что укладку слоев осуществляют в предварительно нагретую оснастку, поверх верхнего слоя препрега укладывают разделительную пленку и пуансон из упругого материала, первый этап прессования заготовки осуществляют в течение расчетного времени под давлением не более 1 кг/см² и второй этап прессования под расчетным рабочим давлением, после извлечения из оснастки заготовку нагревают в печи до температуры полимеризации, выдерживают под указанной температурой и далее охлаждают.

Изобретение поясняется следующими чертежами и схемами:

На фиг.1 представлен детальный вид оснастки для изготовления нервюры корневой консоли центроплана.

На фиг.2 а) - е) представлен процесс укладки слоев в формообразующую оснастку;

На фиг.3 представлен вид готового изделия (нервюры корневой консоли центроплана).

Описание способа осуществления изобретения

Для изготовления элементов силового набора беспилотного летательного аппарата использовали следующие материалы:

- препрег на основе угле- или стекловолокна и эпоксидной смолы, например марки АСМ 1219, АСМ 1208, АСМ 102 и ЭН.35РП производства ООО НПО «Вницур-техпласт».

- сотовый заполнитель из арамидной бумаги, например марки ССП-7-8Т (ТУ 1-596-466-2009), плотность 48 кг/м3, производитель ОАО «ОНПП «Технология».

На фиг.1 представлен общий вид формообразующей оснастки для формования изделия. Оснастка состоит из жесткой алюминиевой матрицы (1) и пуансона (2) силиконового материала. В нижней части оснастки имеется проточка для установки уплотнительного жгута (3). Уплотнительный жгут необходим для быстрого съема изделия (4) из формообразующей полости оснастки.

Пуансон может быть изготовлен из силикона, высокотемпературной резины.

В частных случаях реализации оснастка может быть составной из нескольких элементов.

Полость оснастки полностью повторяет теоретический контур изделия. Для формирования вырезов на изделии на оснастке предусмотрены специальные риски для разметки вырезов. Также могут быть предусмотрены конусы, выфрезерованные на теоретическом контуре оснастки, для разметки центров отверстий на детали.

На первом этапе осуществляют раскрой препрега на заготовки с нанесением наименования слоя на верхнюю пленку с использованием планшетного режущего плоттера и раскрой сотового материала. Далее подготавливают алюминиевую матрицу (1) обработкой разделительным составом и укладкой силиконового уплотнителя в каналы для съема, пуансон обрабатывают ацетоном. Алюминиевую матрицу (1) нагревают до температуры 30-50°С, а плиты пресса - до температуры формования. Формируют нижний (5) и верхний (7) слои путем накладки друг на друга одинаковых слоев препрега с прикаткой их с использованием ролика. Выкладывают сформированный нижний слой (5) на матрицу (1) с использованием прикаточных роликов, поверх укладывают слой сотового заполнителя (6) с придавливанием для фиксации и далее верхний слой препрега (7) с использованием прикаточного ролика. На сформированную структуру поверх верхнего слоя препрега укладывают разделительную перфорированную пленку (8) и пуансон (2), поверх которого также укладывают разделительную пленку (9) для защиты материала пуансона от деградации при соприкосновении его со стальными плитами пресса.

На втором этапе формообразующую оснастку с выложенными слоями размещают на плите пресса, осуществляют смыкание плит пресса выставлением давления на плитах пресса не более 1 кг/см² и выдерживают при указанном давлении в течение расчетного времени, после чего осуществляют смыкание до необходимого усилия и выдержку.

Рабочее давление определяется расчетным способом по формуле (1)

где P - давление на прессе в бар, S - площадь верхней поверхности оснастки в мм², σ_г - предел прочности сотового заполнителя на сжатие, запас прочности сотового заполнителя

Упругий пуансон создает усилие поджатия на дно заготовки, где заложен сотовый заполнитель и боковые стенки, обеспечивая равномерное распределение усилия, кроме того, он препятствует смещению слоев препрега друг относительно друга при прессовании. Преимущества цельного упругого пуансона заключается в его равномерном и стабильном расширении во время формования, без образования следов стыка на рабочей зоне изделия. Использование цельного упругого пуансона обеспечивает высокое качество поверхности готового изделия и отсутствие замятия сот.

В частном варианте исполнения осуществляют одновременное прессование нескольких изделий за один прием. Для этого размещают на плите пресса несколько формообразующих оснасток.

При одновременном формовании нескольких изделий на одном прессе, предельное давление на прессе будет равно сумме предельных давлений всех формуемых на данном этапе изделий.

После размыкания плит пресса снимают оснастку и извлекают изделие. Осуществляют обрезку с изделия технологического припуска с использованием пилы с водяным охлаждением.

В прессе осуществляется первый этап полимеризации с достижением уровня не более 60%. Второй этап полимеризации (пост отверждения) осуществляют в печи, обеспечивая полную полимеризацию.

Процесс пост отверждения осуществляют в печи с постепенным подъёмом температуры до температуры полимеризации, выдержкой и последующим постепенным охлаждением. Охлаждение осуществляют естественным способом, либо в отдельном прессе с охлаждаемыми плитами.

Пример осуществления изобретения

Пример приведен для формования одного из элементов силового набора беспилотного летательного аппарата - корневой нервюры консоли центроплана. Пуансон изготавливали из силикона посредством заливки в матрицу оснастки.

Предварительно раскроенные препрег и сотовый заполнитель укладывали в матрицу оснастки, нагретую до 40°С. Плиты пресса нагревали до 180°C. Подпрессовку осуществляли под давлением не более 1 кг/см² в течение 5 минут и далее прессовали в течение 25 минут под давлением не более 3,2 кг/см².

Верхняя обшивка и нижняя обшивка, имеющая контакт с алюминиевой матрицей оснастки, разделены сотовым заполнителем, наполненным воздухом, имеющим низкую теплопроводность и по этой причине, обе обшивки, отверждаются порознь. Кроме того, теплопроводность силикона меньше теплопроводности алюминия, по этой причине особое внимание уделяется верхней обшивке, так как нижняя отверждается значительно быстрее. При температуре плит пресса 180°C была достигнута степень конверсии 60% для нижней обшивки за 1,5 минуты, а верхней за 8 минут; степень конверсии 90% для нижней обшивки за 8,5 минут, а верхней за 17 минут.

Пост отверждение осуществляли в термоинфузионном автоматизированном центре ТИАЦ 5 с подъемом температуры со скоростью 2°С/мин до 150°С и последующем охлаждении со скоростью 5°С/мин.

Для достижения степени конверсии заготовок, первоначально отвержденных до 60%, 92% время выдержки в печи составило не менее 47 минут, а для достижения 95% не менее 140 минут. Для достижения степени конверсии заготовок, первоначально отвержденных до 90%, 92% время выдержки в печи составило не менее 8 минут, а для достижения 95% не менее 115 минут.

Полученные формованные изделия очищались ацетоном с последующей обрезкой технологических припусков. Готовые изделия были проверены на соблюдение геометрических размеров и качество поверхности. Отклонение геометрических размеров находилось в пределах нормы, расслоения и замятия не наблюдались.

Заявляемое изобретение обладает следующими преимуществами:

1. Ресурс металлической оснастки составляет более 1000 циклов формования, что обеспечивает экономию ресурсов на формирование оснастки.

2. Ресурс силиконового пуансона составляет порядка 200 циклов формования, что обеспечивает экономию ресурсов на формирование оснастки.

3. Использование препрега позволяет выкладывать различные сложные формы, автоматизировать раскрой и выкладку и обеспечить короткий цикл формования.

4. Уменьшение количества ручных операций в процессе изготовления за счет применения автоматизированных методов раскроя, прессового формования, удаления технологического припуска на станке с ЧПУ позволило сократить количество необходимого рабочего персонала и площадь производственного участка.

5. Высокое качество изделий с высоким коэффициентом наполнения и стабильным содержанием связующего в изделиях.

6. Высокая интенсивность изготовления изделий, сокращение режима формования в сравнении со стандартными методами более чем в 4 раза.

Изобретение относится к способам формования многослойных изделий из композиционных материалов. Предложен способ изготовления композитного многослойного изделия, включающий последовательную выкладку в формообразующую оснастку нижнего слоя препрега, слоя сотового заполнителя, верхнего слоя препрега с последующим термопрессованием и охлаждением, согласно изобретению укладку слоев осуществляют в предварительно нагретую оснастку, поверх верхнего слоя препрега укладывают разделительную пленку и пуансон из упругого материала, первый этап прессования заготовки осуществляют в течение 5–15 мин под давлением не более 1 кг/см² и второй этап прессования под рабочим давлением и в течение времени меньше чем режим полимеризации. Технический результат – реализация назначения, заключается в изготовлении композитного многослойного изделия, характеризующегося низкой трудоемкостью, сокращением времени изготовления изделий, а также возможностью изготовления различных по размеру и форме сэндвич-конструкций. 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

1. Способ изготовления композитного многослойного изделия, включающий последовательную выкладку в формообразующую оснастку нижнего слоя препрега, слоя сотового заполнителя, верхнего слоя препрега с последующим термопрессованием и охлаждением, отличающийся тем, что укладку слоев осуществляют в предварительно нагретую оснастку, поверх верхнего слоя препрега укладывают разделительную пленку и пуансон из упругого материала, первый этап прессования заготовки осуществляют в течение 5–15 мин под давлением не более 1 кг/см² и второй этап прессования под рабочим давлением и в течение времени меньше, чем режим полимеризации, причем рабочее давление рассчитывают по формуле:

где P – давление на прессе, σ_г – предел прочности сотового заполнителя на сжатие, S – площадь верхней поверхности оснастки, f – запас прочности сотового заполнителя,

и после извлечения из оснастки заготовку нагревают в печи до температуры полной полимеризации, выдерживают под указанной температурой и далее охлаждают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прессование осуществляют в гидравлическом, пневматическом, механическом и вакуумном прессе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что плиты пресса нагреты до температуры формования во время всего цикла формования.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют препрег на основе угле- или стекловолокна и эпоксидной смолы.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что изделия изготавливают из препрегов АСМ 1219, АСМ 1208, АСМ 102 и ЭН.35РП.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют естественным способом либо в отдельном прессе с охлаждаемыми плитами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что полимеризацию осуществляют в два этапа, при этом на первом этапе в прессе полимеризация достигает не более 60%, на втором этапе в печи получают полную полимеризацию изделия.