Способ прессования изделий из композитных материалов методом воздушного формования с применением в качестве пуансона надувной камеры из жидкой резины

Изобретение относится к способам формования изделий из композиционных материалов, в частности к методам уплотнения композиционного материала, и может быть использовано для получения конструкций в авиационной и космической технике. Способ прессования изделий из композитных материалов, включающий использование уплотняющего элемента из резины для создания давления формования, подачу давления, отверждение изделия и извлечение его из технологической оснастки (матрицы), характеризуется тем, что в процессе прессования уплотняющим элементом покрывают углубление технологической оснастки - матрицы, создают давление на резиновый элемент, которым в процессе подачи давления частично заполняют углубление технологической оснастки - матрицы, уплотняя материал и создавая давление формования при его отверждении, отличающийся тем, что в качестве пуансона используют уплотняющий элемент, края которого фиксируют крышкой, внутри крышки устанавливают по меньшей мере патрубок для подачи сжатого газа, которым надувают уплотняющий элемент, которым прессуют материал заданной формы. Техническим результатом изобретения является возможность изготавливать изделия, имеющую сложную геометрическую форму, и композитные изделия сложной формы из тканевых материалов, таких как стеклоткань, техническая ткань, нетканые полимеры. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к способам формования изделий из композиционных материалов, в частности к методам уплотнения композиционного материала, и может быть использовано для получения конструкций в авиационной и космической технике.

В патенте RU 2372195 от 21.03.2008 описан способ формования изделий сложной конфигурации, при котором в матрице (пресс-форме) производят набор изделия из полимерных композиционных материалов, затем внутреннюю полость детали заполняют компаундом, полимеризуют компаунд и производят отверждение детали.

Данный способ требует предварительного изготовления пуансона перед формованием изделия и введения дополнительной операции полимеризации компаунда, что увеличивает трудоемкость и производственный цикл изготовления.

Известен комбинированный способ формования, описанный в учебном пособии «Полимерные композиционные материалы: структура, свойства и технология. Учеб. пособ. - 4-е испр. и доп. изд. / Под ред. А.А. Берлина. - М.: ЦОП «Профессиям; 2014 - 522-523 с. Способ сочетает термокомпрессионное и автоклавное формование, при котором в форму с препрегом помещают вкладыши из резины, выполняющие роль уплотняющих элементов, герметично упаковывают и проводят режим формования в автоклаве. В результате уплотнение материала при отверждении происходит за счет внешнего давления и термического расширения резины.

Аналогичные способы известны из патентов US 4889668, 26.12.1989, US 2558823, 03.07.1951.

Недостатками данных способов формования является большая трудоемкость и длительный цикл изготовления, обусловленные необходимостью предварительного использования дополнительных приспособлений для формования вкладышей, а также необходимость использования энергоемкого оборудования (автоклава) для обеспечения давления формования.

Наиболее близким решением является способ формования изделий из композиционного материала (патент RU 2603798, опубликовано: 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, отличается тем, что 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. В прототипе исключено предварительное изготовление вкладышей и дополнительных приспособлений для их формования.

Технической проблемой прототипа и других известных решений является потребность в использовании прямого прессовании при применении металлического пуансона, что не позволяет изготавливать изделия из композитных материалов, имеющих сложную геометрическую форму. Кроме того, известные способы не позволяют изготавливать изделия из тканевых материалов, таких как стеклоткань, техническая ткань, нетканые полимеры.

Задачей изобретения является устранение указанных технических проблем известных решений.

Техническим результатом изобретения является возможность изготавливать изделия имеющую сложную геометрическую форму, отсутствует потребность в процессе прямого прессовании и применении металлического пуансона, что упрощает технологию и снижает энергоемкость оборудования. Также изобретение позволяет изготавливать композитные изделия сложной формы из тканевых материалов таких как стеклоткань, техническая ткань, нетканые полимеры.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ прессования изделий из композитных материалов, включающий использование уплотняющего элемента из резины для создания давления формования, подачу давления, отверждение изделия и извлечение его из технологической оснастки (матрицы), характеризующийся тем, что в процессе прессования уплотняющим элементом покрывают углубление технологической оснастки (матрицы), создают давление на резиновый элемент, которым в процессе подачи давления частично заполняют углубление технологической оснастки (матрицы), уплотняя материал и создавая давление формования при его отверждении, отличающийся тем, что в качестве пуансона используют уплотняющий элемент, края которого фиксируют крышкой, внутри крышки устанавливают по меньшей мере патрубок для подачи сжатого газа, которым надувают уплотняющий элемент, которым прессуют материал заданной формы.

Предпочтительно, в крышке размещают дополнительный патрубок для подачи вакуума, причем патрубок выполняют с возможностью перекрытия канала.

Предпочтительно, перед началом формования изделия в уплотняющий элемент подают вакуум для его сжатия, а дополнительный канал подачи вакуума открывают, затем в углубление технологической оснастки (матрицы) укладывают прессуемый материал, затем крышку плотно прижимают к краям технологической оснастки (матрицы); после чего отключают подачу вакуума и включают подачу сжатого газа; по завершении цикла прессования сжатый газ из уплотняющего элемента отводят и снова подают вакуум, открывая дополнительный канал подачи вакуума, а спрессованное изделие извлекают из матрицы. Допустимо, что при прессовании осуществляют обогрев технологической оснастки (матрицы) до 200°С.

Допустимо, что обогрев технологической оснастки (матрицы) до 200°С осуществляют нагревом технологической оснастки (матрицы) и/или подачей горячего газа в уплотняющий элемент.

Предпочтительно, в качестве газа используют воздух, а по завершении цикла прессования сжатый газ из уплотняющего элемента отводят.

Предпочтительно, края технологической оснастки (матрицы), фиксируемые крышкой, оснащают содержащими фланец, имеющий расположенный ближе к центру и меньший по высоте, чем сам фланец, выступ со ступенчатым переходом, в котором нижняя ступень расположена ближе к краю, а уплотняющий элемент у краев, фиксируемых крышкой, выполняют под форму выступа и ступенчатого перехода фланца.

Предпочтительно, крышку выполняют с шарнирными креплениями к технологической оснастке (матрицы).

Также заявлена система прессования изделий из композитных материалов, состоящая из технологической оснастки (матрицы), уплотняющих элементов из резины для создания давления формования, отличающаяся тем, что в качестве пуансона использован уплотняющий элемент, края которого выполнены с возможностью плотной фиксацией крышкой, внутри крышки установлен по меньшей мере патрубок для подачи сжатого газа. Предпочтительно, в крышке установлен дополнительный патрубок для подачи вакуума, который выполнен с возможностью перекрытия канала.

Предпочтительно, крышка закреплена шарнирным соединением к технологической оснастке (матрицы).

Допустимо, что стенки технологической оснастки (матрицы) содержат нагреватель. Предпочтительно, края технологической оснастки (матрицы), фиксируемые крышкой, содержат фланец, имеющий расположенный ближе к центру и меньший по высоте, чем сам фланец, выступ со ступенчатым переходом, в котором нижняя ступень расположена ближе к краю, а уплотняющий элемент у краев, фиксируемых крышкой, выполнен под форму выступа и ступенчатого перехода фланца.

Надувная камера пуансона для прессования изделий из композитных материалов методом воздушного формования, выполненная из резины, отличающаяся тем, что имеет форму емкости, края которой у основания загнуты по периметру на одном уровне, образуя замкнутый плоский выступ со ступенчатым переходом, в котором нижняя ступень расположена ближе к краю, а на краю нижней ступени по периметру выполнен загиб, направленный в сторону углубления емкости.

Предпочтительно, надувная камера в зоне у основания имеет более толстые стенки, чем в зоне у дна емкости.

Предпочтительно, надувная камера выполнена из жидкой двухкомпонентной резины с относительным удлинением не менее 250%.

Предпочтительно, надувная камера выполнена состоящей из двух симметричных частей из жидкой двухкомпонентной резины, соединенных друг с другом методом отверждения.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показана схема системы прессования изделий (вид в разрезе и часть схемы крупным планом).

На Фиг. 2 показан принцип погружения уплотняющего элемента в зону технологической оснастки (матрицы) (вид в разрезе).

На Фиг. 3 показана установка системы прессования изделий (вид в объеме с поднятой крышкой и открытым каналом подачи вакуума).

На Фиг. 4 показан вид уплотняющего элемента отдельно в разных ракурсах: А - вид в объеме снизу-сзади, Б - вид в объеме, В - вид сбоку сверху-спереди, Г - вид в объеме снизу-спереди.

На чертежах: 1 - технологическая оснастка (матрица), 2 - заготовка, 3 - фланец, 4 - уплотняющий элемент, 5 - крышка, 6 - патрубок подачи газа, 7 - патрубок подачи вакуума, 8 -выступ фланца, 9 - выступ уплотняющего элемента, 10 - ступенчатый переход, 11 - шарнирное соединение, 12 - зона соединительного шва симметричных частей уплотняющего элемента.

Осуществление изобретения

Заявленный способ прессования изделий из композитных материалов основан на использовании уплотняющего элемента 4 (см. Фиг. 1) из резины для создания давления формования. В процессе прессования уплотняющим элементом 4 покрывают углубление технологической оснастки (матрицы) 1, создавая давление на резиновый элемент, которым в процессе подачи давления частично заполняют углубление технологической оснастки (матрицы) 1, уплотняя материал заготовки 2 и создавая давление формования при его отверждении.

Новым является то, что в качестве пуансона используют сам уплотняющий элемент 4, края которого фиксируют крышкой 5, внутри крышки 5 устанавливают по меньшей мере патрубок 6 для подачи сжатого газа, которым надувают уплотняющий элемент 4, которым в свою очередь прессуют материал заготовки 2 заданной формы.

В крышке 5 может быть размещен дополнительный патрубок 7 для подачи вакуума, который выполняют с возможностью перекрытия канала.

Принцип работы с использованием дополнительного патрубка 7 основан на том, что перед началом формования изделия в уплотняющий элемент 4 подают вакуум для его сжатия, а дополнительный канал 7 подачи вакуума открывают. Затем, в углубление технологической оснастки (матрицы) 1 укладывают прессуемый материал заготовки 2, после чего крышку 5 плотно прижимают к краям технологической оснастки (матрицы) 1.

Затем, отключают подачу вакуума и включают подачу сжатого газа через основной канал 6.

По завершении цикла прессования сжатый газ из уплотняющего элемента 4 отводят и снова подают вакуум, открывая дополнительный канал 7 подачи вакуума, а спрессованное изделие извлекают из матрицы.

При необходимости обработки определенных материалов в процессе прессования осуществляют обогрев технологической оснастки (матрицы) 1 до 200°С. Обогрев технологической оснастки (матрицы) 1 до 200°С может быть осуществлен, например, нагревом самой технологической оснастки (матрицы) 1 и/или подачей горячего газа в уплотняющий элемент 4, к примеру, через основной канал 6.

В качестве газа, если не требуется нагрев технологической оснастки (матрицы) 1 изнутри, может быть использован, например, воздух, который по завершении цикла прессования из уплотняющего элемента отводят в атмосферу.

Если требуется нагрев изнутри технологической оснастки (матрицы) 1, то через основной канал 6 может быть подан любой другой негорючий газ, который легко технологически получить и нагреть, например, СО₂.

Края технологической оснастки (матрицы) 1 для лучшей фиксации и исключения сдвижения в пределах ее уплотняющего элемента 4 могут быть дополнительно оснащены фланцем 3, имеющим выступ 8 со ступенчатым переходом, где выступ расположен ближе к центру и меньше по высоте, чем сам фланец 3. Нижняя ступень выступа 8 расположена ближе к краю. При этом, уплотняющий элемент 4 у краев, фиксируемых крышкой 5, выполняют под форму выступа 8 и ступенчатого перехода фланца. Для чего у самого уплотняющего элемента 4 образуют выступ 9 со ступенчатым переходом 10 (см. Фиг. 1, Фиг. 2). Выступы 8 и 9 со ступенчатым переходом образуют замковое соединение друг с другом. Крышка 5 может (см. Фиг. 3) быть выполнена с шарнирными креплениями 11 к технологической оснастке (матрицы) 1 для удобства, чтобы не снимать ее каждый раз вручную, а просто поднимать вверх для укладки/извлечения материала заготовки 2.

Система прессования изделий из композитных материалов, согласно изобретения, состоит из технологической оснастки (матрицы) 1, уплотняющих элементов 4 из резины для создания давления формования. В качестве пуансона в ней использован уплотняющий элемент 4, края которого выполнены с возможностью плотной фиксацией крышкой 5, а внутри крышки 5 установлен по меньшей мере патрубок 6 для подачи сжатого газа. Уплотняющий элемент 4 из резины - это по сути надувная камера пуансона для прессования изделий из композитных материалов методом воздушного формования. Данная камера (см. Фиг. 4) имеет форму емкости, края которой у основания загнуты по периметру на одном уровне, образуя замкнутый плоский выступ 9 со ступенчатым переходом 10, в котором нижняя ступень расположена ближе к краю, а на краю нижней ступени по периметру выполнен загиб, направленный в сторону углубления емкости (см. Фиг. 1). Надувная камера уплотняющего элемента 4 в зоне у основания имеет более толстые стенки, чем в зоне у дна емкости, что позволяет сначала обеспечивать надув камеры с зоны дна.

Сама надувная камера уплотняющего элемента 4 может быть выполнена из жидкой двухкомпонентной резины с относительным удлинением не менее 250%. В качестве материала для изготовления уплотняющего элемента (надувной камеры) могут использоваться, например, жидкие двухкомпонентные резины с относительным удлинением не менее 250%, например: Silastic RTV-4234-T4; резина силиконовая для форм Lasil S-2 и Lasil 1703 (силиконовая резина высокой прочности, средней твердости) (см. http:/lassoplast.ru/catalog/silikonovye-reziny/).

Создание уплотняющих элементов 4 из резины может быть реализовано путем отверждения и соединения двух симметричных частей из жидкой двухкомпонентной резины в зоне соединительного шва 12. При изготовлении резины смешивают компоненты А и Б в соответствии с рекомендациями производителя жидкой резины. Дегазируют смесь до полного вывода пузырьков воздуха находящихся в смеси. Заливают смесь в специальную заливочную форму. Заливочная форма определяется в зависимости от прессуемого изделия и оставляют ее там до полного отверждения. Необходимое время до полного отверждения рекомендовано производителем жидкой резины.

После отверждения извлекают готовый уплотняющий элемент 4 из специальной формы.

Установка уплотняющего элемента 4 на формовочное оборудование заключается в следующем.

Сначала устанавливают и закрепляют на станок металлическую технологическую оснастку (матрицу) 1. Формообразующая поверхность матрицы 1 должна соответствовать форме конечного изделия.

На технологической оснастке (матрице) 1 устанавливают фланец 3 для фиксации уплотняющего элемента 4 замковым пазом вверх, и выравнивают по боковым стенкам матрицы так, чтобы боковые стенки фланца совпали с боковыми стенками матрицы (см. Фиг. 2). После чего, при наличии замковых элементов (выступов 8 и 9) размещают уплотняющий элемент 4 в центр фланца 3 (см. Фиг. 1) так, чтобы замковый паз уплотняющего элемента 4 совпал с замковым пазом фланца.

Затем опускают крышку 5 станка в положение «закрытом и фиксируют фланец 3 к крышке станка с помощью винтов.

Процесс формования заключается в следующем.

Перед началом формования изделия в уплотняющий элемент 4 через дополнительный канал 7 подается вакуум для того, чтобы она сжалась. Крышка станка должна быть в положении «открыто» (см. Фиг. 3).

Иной вариант сжатия может быть осуществлен, например, путем отсасывания воздуха, также через дополнительный канал 7 или через основной канал 6 в крышке 5, который может иметь инвертное нагнетание воздуха в обоих направлениях.

В матрицу 1 укладывается прессуемый материал заготовки 2, затем крышка 5 станка переводится в положение «закрыто» при этом сжатый уплотняющий элемент 4 оказывается в центре матрицы 1 с прессуемым материалом заготовки 2.

Далее отключается подача вакуума (или отсос воздуха) и включается подача сжатого газа через основной канал 6. При этом, уплотняющий элемент 4 начинает постепенно надуваться от купольной части к основанию, распределяя давление по всей поверхности прессуемого изделия, что позволяет избежать сползание материалов на начальной стадии прессования (в момент раздувания надувной камеры). Скорость раздувания надувной камеры уплотняющего элемента 4 регулируется на оборудовании. При прессовании некоторых материалов требуется обогрев матрицы до 200°С. Обогрев может быть осуществлен либо через внешний нагрев технологической оснастки (матрицы) 6, либо изнутри подачей горячего газа в уплотняющий элемент 4.

Давление газовой среды фиксируют манометром через основной канал в крышке 5. Тонкая регулировка давления возможна путем нагревания воздуха или газа, причем ослабление давления возможно путем охлаждения надувной камеры, например, путем закачки туда небольшого количества жидкого азота.

По завершении цикла прессования сжатый газ отводится в баллон, а если используется воздух, то он из уплотняющего элемента 4 сбрасывается в атмосферу и туда снова подается вакуум (либо начинают отсос воздуха). При этом крышка 5 станка переводится в положение «открыто» и спрессованное изделие извлекается из матрицы.

Описанный процесс прессования позволяет изготавливать изделия, имеющие сложную геометрическую форму, что не позволяет сделать процесс прямого прессовании при применении металлического пуансона.

Также вышеописанный процесс с использованием заявленной системы позволяет изготавливать изделия из тканевых материалов таких как стеклоткань, техническая ткань, нетканые полимеры, поскольку в отличии от известных способов прессования, при применении металлического пуансона, изделия из тканевых материалов таких как стеклоткань, техническая ткань, нетканые полимеры формуются с грубыми неровностями (буграми) из-за того, что давление на формуемое изделие осуществляется неравномерно в режиме реального времени. В заявленном решении такие неровности не возникают благодаря тому, что давление на формуемое изделие осуществляется равномерно в режиме реального времени.

1. Способ прессования изделий из композитных материалов, включающий использование уплотняющего элемента из резины для создания давления формования, подачу давления, отверждение изделия и извлечение его из технологической оснастки (матрицы), характеризующийся тем, что в процессе прессования уплотняющим элементом покрывают углубление технологической оснастки - матрицы, создают давление на резиновый элемент, которым в процессе подачи давления частично заполняют углубление технологической оснастки - матрицы, уплотняя материал и создавая давление формования при его отверждении, отличающийся тем, что в качестве пуансона используют уплотняющий элемент, края которого фиксируют крышкой, внутри крышки устанавливают по меньшей мере патрубок для подачи сжатого газа, которым надувают уплотняющий элемент, которым прессуют материал заданной формы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в крышке размещают дополнительный патрубок для подачи вакуума, причем патрубок выполняют с возможностью перекрытия канала.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что перед началом формования изделия в уплотняющий элемент подают вакуум для его сжатия, а дополнительный канал подачи вакуума открывают, затем в углубление технологической оснастки – матрицы укладывают прессуемый материал, затем крышку плотно прижимают к краям технологической оснастки - матрицы; после чего отключают подачу вакуума и включают подачу сжатого газа; по завершении цикла прессования сжатый газ из уплотняющего элемента отводят и снова подают вакуум, открывая дополнительный канал подачи вакуума, а спрессованное изделие извлекают из матрицы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при прессовании осуществляют обогрев технологической оснастки - матрицы до 200°С.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что обогрев технологической оснастки - матрицы до 200°С осуществляют нагревом технологической оснастки - матрицы и/или подачей горячего газа в уплотняющий элемент.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа используют воздух, а по завершении цикла прессования сжатый газ из уплотняющего элемента отводят.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что края технологической оснастки- матрицы, фиксируемые крышкой, оснащают содержащими фланец, имеющий расположенный ближе к центру и меньший по высоте, чем сам фланец, выступ со ступенчатым переходом, в котором нижняя ступень расположена ближе к краю, а уплотняющий элемент у краев, фиксируемых крышкой, выполняют под форму выступа и ступенчатого перехода фланца.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что крышку выполняют с шарнирными креплениями к технологической оснастке - матрицы.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что камера пуансона имеет форму емкости, края которой у основания загнуты по периметру на одном уровне, образуя замкнутый плоский выступ со ступенчатым переходом, в котором нижняя ступень расположена ближе к краю, а на краю нижней ступени по периметру выполнен загиб, направленный в сторону углубления емкости.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что камера в зоне у основания имеет более толстые стенки, чем в зоне у дна емкости.

11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что камера выполнена из жидкой двухкомпонентной резины с относительным удлинением не менее 250%.

12. Способ по п. 9, отличающийся тем, что камера выполнена состоящей из двух симметричных частей из жидкой двухкомпонентной резины, соединенных друг с другом методом отверждения.