Способ изготовления многослойных профильных изделий из полимерных композиционных материалов

 

Использование: для изготовления силовых панелей, панелей интерьера, профильных конструкций из полимерных композиционных материалов с сотовым или гофровым заполнителем, которые могут быть применены в авиастроении, судостроении, автомобильной промышленности, строительстве. Сущность изобретения: осуществляют пропитку длинномерных волокон (В) связующим в ванне и подают их в формующую фильеру (ФФ) с разделением их для образования продольной полосы для заполнителя (З). Затем подают З в полость и образуют внутренний слой изделия, непрерывно протягивают через ФФ с соединением волокон с З и отверждением связующего (С). Для образования внутреннего слоя используют непропитанный сотовый или гофровый З, предварительно нарезанный на полосы заданной ширины и толщины для заполнения продольной полости, соединенные для обеспечения заданной длины изделия с помощью предварительно нарезанных на торцах замковых соединений (ЗС). Разделенные В распределяют во внутреннем пространстве ФФ таким образом, что они образуют заданный контур изделия. Соединение В с З при протяжке осуществляют путем продавливания С из пространства между В на границу раздела между пропитанным В и З. Сотовый или гофровый З выполняют из полимерной бумаги. В ФФ дополнительно подают усиливающий элемент в виде полос ткани (ПТ), которые пропитывают С. Пропитку ПТ осуществляют одновременно с В в ванне. Пропитку ПТ осуществляют во внутреннем пространстве ФФ при продавливании части С из пространства между В и З. Распределяют В и ПТ во внутреннем пространстве ФФ с помощью дополнительной ФФ для образования заданного контура изделия. ЗС на торцах полос З выполняют в виде галтели, прямого или косого клина. Полосы З нарезают из блочного сотового или гофрового З с помощью ультразвукового резака на оборудовании с числовым программным управлением. На торцах полос З выполняют два и более ЗС. 10 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способу изготовления облегченных силовых панелей и панелей интерьера, а также профильных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с сотовым или гофровым, а также другими заполнителями методом пултрузии, обеспечивающим непрерывное изготовление панелей и профильных конструкций наперед заданными длиной и шириной, последняя определяется размерами формующей фильеры, входящей в комплект пултрузионной установки.

Силовые панели и панели интерьера из ПКМ находят все более широкое применение в авиастроении, судостроении, автомобильной промышленности и строительстве. Этот тип панелей обеспечивает высокую прочность при малой массе, что недостижимо при использовании других типов материалов. К тому же они не подвержены коррозии, трудногорючи, химически стойки. Указанные свойства выгодно отличают ПКМ от металлов.

Для изготовления многослойных панелей и профильных конструкций изделий применяют армированные как термопласты, так и реактопласты. Выбор материала определяется эксплуатационными характеристиками изделия, с учетом способа их изготовления.

Известен способ получения многослойных плоских панелей способом выкладки. В качестве наполнителя могут применять различные сотовые и гофровые структуры. В этом способе предварительно приготовленный материал (ткань, волокно с нанесенным связующим) выкладывается на оснастке из необходимого количества слоев, после чего производится отверждение одним из известных способов, например, автоклавным формованием. Таким способом изготавливаются нижняя и верхние обшивки будущей панели.

Сотовый наполнитель изготавливается отдельно по известной технологии и используется после предварительной подготовки, во время подготовки сотовый наполнитель заданной толщины вырезается из сотоблока с последующей склейкой или сшивкой в случае необходимости по боковым граням с целью получения заполнителя необходимой конфигурации.

Затем подготовленный сотовый наполнитель приклеивается к обшивкам при помощи специального пленочного клея по стандартной технологии [1] Недостатками этого способа являются низкая производительность труда, высокий процент использования ручного труда, высокая стоимость ручного инструмента, используемого как при обработке обшивок, так и панели в целом. Кроме того, используемые препреги имеют небольшой срок хранения по сравнению со сроками хранения материалов, из которых они изготовлены, прежде всего за счет быстрого старения связующего. По совокупности величина отходов материалов составляет около 20% по всему процессу.

Известен и другой способ изготовления многослойных профильных изделий из полимерных композиционных материалов, при котором осуществляют пропитку длинномерных волокон связующим длинномерных волокон с разделением их для образования продольной полости для заполнителя, подачу заполнителя в образованную полость для образования внутреннего слоя изделия и непрерывную протяжку их через формующую фильеру с соединением волокон с заполнителем и отверждением связующего [2] В этом способе сокращена продолжительность процесса, наполнитель применяют без предварительной подготовки, так как пропитка волокон (нитей полос ткани) связующим происходит непосредственно в процессе изготовления изделия, что уменьшает трудозатраты.

К недостаткам этого способа получения сложнопрофильных изделий относится тот факт, что изделия получают сплошными по объему, что делает их достаточно дорогостоящими и относительно тяжелыми.

Цель изобретения повышение производительности изготовления трехслойных и многослойных силовых панелей из ПКМ с сотовыми или гофровыми наполнителями с одновременным снижением энергоемкости процесса производства, сведением к минимуму брака, потерь наполнителя и связующего, а также уменьшением трудозатрат.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе для образования внутреннего слоя используют непропитанный сотовый или гофровый заполнитель, предварительно нарезанный на полосы заданной ширины и толщины для заполнения продольной полости, соединенные для обеспечения заданной длины изделия с помощью предварительно нарезанных на их торцах замковых соединений, при этом разделенные волокна распределяют во внутреннем пространстве фильеры таким образом, что они образуют заданный контур изделия, причем соединение волокон с заполнителем при протяжке осуществляют путем продавливания связующего из пространства между волокнами на границу раздела между пропитанным волокном и заполнителем.

Сотовый или гофровый заполнитель выполняют из полимерной бумаги.

В формующую фильеру дополнительно подают усиливающий элемент в виде полос ткани.

Полосы ткани пропитывают связующим. Пропитку полос ткани осуществляют одновременно с волокнами в ванне.

Пропитку полос ткани осуществляют во внутреннем пространстве формующей фильеры, при продавливании части связующего из пространства между волокнами в заполнитель.

Волокна и полосы ткани распределяют во внутреннем пространстве фильеры с помощью дополнительной фильеры для образования заданного контура изделия.

Замковые соединения на торцах полос заполнителя выполняют в виде галтели, прямого или косого клина.

Полосы заполнителя нарезают из блочного сотового или гофрового заполнителя с помощью ультразвукового резака.

Полосы заполнителя нарезают с помощью лазерного излучения на оборудовании с числовым программным управлением.

На торцах полос заполнителя выполняют два и более замковых соединения.

На фиг. 1 изображена многослойная панель; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 сложнопрофильная многослойная панель; на фиг.4 пятислойная панель; на фиг.5-8 виды соединения заполнителя.

Способ осуществляют следующим образом.

В фильеру поступает пропитанное связующим волокно, количество которого составляет от 25 до 75% от общей массы обшивок или профильной конструкции. Количество волокна, необходимое для образования обшивок трехслойной, многослойной панели или профильной конструкции, должно быть достаточным для получения необходимой толщины обшивок или профильной конструкции. Количество волокна выбирается эмпирическим путем таким образом, чтобы контур будущей конструкции обеспечивал необходимые механические характеристики.

Волокно предварительно пропитывается связующим известным способом, при котором оно пропускается через расплав связующего.

Волокно при помощи тянущего устройства протягивается через фильеру. Между слоями волокна перед его поступлением в фильеру вставляются полосы облегченного наполнителя, с "замками" в торцовых частях. При этом слои пропитанного волокна в случае изготовления профильной конструкции перед входом в фильеру раздвигаются любым механическим способом или с помощью вспомогательных фильер, и облегченный наполнитель укладывается непосредственно на нижний слой движущихся пропитанных волокна и/или ткани.

По мере необходимости полосы облегченного наполнителя удлиняются путем замкового соединения отдельных полос.

Облегченный наполнитель вместе с пропитанным волокном при помощи тянущего устройства пултрузионной установки поступает в рабочее пространство фильеры.

При создании многослойных конструкций непосредственно в фильеру подаются дополнительно полосы ткани или волокна (жгуты), или их сочетание с бобин, расположенных перед входом в фильеру. Причем, в зависимости от заданных механических параметров конструкции, как полосы ткани, так и волокна (жгуты), предварительно могут пропитаться связующим. В процессе движения пропитанного связующим волокна в рабочем пространстве фильеры при изготовлении многослойных облегченных конструкций сухие полосы ткани и дополнительные волокна пропитываются связующим, которое отжимается фильерой из основного объема пропитанного наполнителя. За счет полимеризации и отверждения части связующего, проникшего в облегченный наполнитель, обеспечивается его соединение с обшивками панели или контуром профильной конструкции.

Наполнитель может нарезаться из готовых блоков заранее заданной толщины. Шиповые соединения вырезаются с помощью лазерного излучения на оборудовании с числовым программным управлением.

Универсальность пултрузионной установки позволяет изготавливать изделия с использованием различных типов материалов и сырья, обычно используемых в пултрузионных процессах.

В качестве связующего используются любые типы термореактивных связующих, например, фенольные, эпоксидфенольные, эпоксидиановые и т.п.

В качестве волокна используются стекло-, угле-и органоволокно.

В качестве армирующих волокон и нитей используются указанные ранее волокна.

В качестве тканого материала используются различные типы стекло- и органотканей (фиг.1).

При использовании способа обеспечивается непрерывный процесс изготовления облегченных трехслойных или многослойных панелей или конструкций заданной ширины и конфигурации (фиг.3) без ограничения длины, отсутствуют ограничения в использовании любого рода наполнителей, сырья и связующих.

Использование сменных фильер позволяет получить на одной установке широкую номенклатуру облегченных конструкций, как плоских, так и сложнопрофильных.

Анализ сводных данных по результату полученных профилей с использованием стеклосот, тканого и волокнистого наполнителя на основе стекла, показал, что по отношению к использованию сот на бумажной основе первые имеют большую массу при одинаковых размерах, они редко используются в конструкциях летательных аппаратов, применение углеволокна обеспечивает свойства, аналогичные при применении органоволокна.

В качестве примеров использования изобретения приводятся результаты, полученные на пултрузионной установке Faserplastik (Австрия) многослойных конструкций с облегченным наполнителем сечением 50х6 мм с использованием связующего на основе ЭХД. Температура фильеры заданная 210^oC, скорость протягивания профиля 0,15 м/мин. Эти параметры были приняты для всех примеров на основе ЭХД. Количество отходов материалов во всех случаях не превышало 5% Пример 1. 60 жгутов пропитанного органоволокна Армос с плотностью 600 текс заправлено в фильеру, высота сотового заполнителя 5 мм. Пропитанный жгут разделялся по сечению пополам, в образованную полость был вставлен сотовый заполнитель, далее композиция из жгутов и наполнителя проходит через нагретую фильеру. Качество поверхности обшивок полученной панели удовлетворительное.

Пример 2. Органоткань типа СВМ две полосы шириной 55 мм пропитывались связующим на основе эпоксидной смолы и заправлялись в фильеру, а между ними перед входом в нее помещался сотовый заполнитель высотой 5,5 мм, затем прохождение нагретой фильеры.

Пример 3. Реализовывался пример 2, но вместо сотового заполнителя вводился гофровый заполнитель. Высота по гребням 5,5 мм, затем прохождение фильеры.

Прочность на сжатие изделий, полученных заявляемым способом, и изделий, полученных по примерам 1, 2 и 3 и изготовленных способом выкладки, приведена в табл. 1.

Пример 4. Профиль сечения 50х9,6 мм. Заправлено 80 жгутов органоволокна Армос, предварительно пропитанных связующим на основе ЭХД: верх и низ по 30 жгутов, левая и правая стороны по 10 жгутов, пучок жгут сохранял свое деление при заправке сотового заполнителя, в образовавшуюся полость вставлялся сотовый заполнитель. Вся заправка протягивалась через нагретую фильеру, где избыток связующего обеспечивал соединение волокна с сотовым заполнителем. В фильере осуществлялись желатинизация и полимеризация связующего.

Примеры изготовления пятислойных конструкций (фиг.4).

Размер образца и режимы формирования такие, как и для трехслойной панели.

Пример 5. 40 жгутов предварительно пропитанного органоволокна Армос и две ленты из ткани СВМ заправлены в фильеру и разделены на две части, между ними помещается сотовый заполнитель. Вся заправка была протянута через нагретую фильеру.

Пример 6. Повторение примера 2, но вместо сотового введен гофровый заполнитель. Вся заправка протянута через фильеру.

В примерах 1-5 качество поверхности получаемых конструкций удовлетворительное при плотности материала 0,22-0,26 г/см³.

Прочность на сжатие получена соответственно 0,14 и 0,08 кгс/мм².

В случае использования фенольных связующих расплавленного типа заправка бала как и в примерах 1-5, но температура фильера задавалась 230^oC при сохранении скорости протягивания через фильеру в пределах 0,15 м/мин. Прочностные свойства на сжатие в этом случае на 30% ниже, чем при использовании связующего на основе ЭХД.

Трехслойные и многослойные панели, полученные данным способом, по своим физико-механическим характеристикам аналогичны трехслойным или многослойным панелям, получаемым традиционными способами выкладки или прессования, что следует из результатов испытаний, приведенных в табл. 1.

В табл. 2 приведены показатели качества соединения.

Сложнопрофильные конструкции при сохранении механических свойств легче сплошных конструкций на 5-30% в зависимости от назначения.

Технологический цикл изготовления трехслойных и многослойных панелей по сравнению с выкладкой сокращен более, чем в 5 раз при снижении трудоемкости более чем в 10 раз, энергоемкость процесса снижена более чем в 30 раз.

Трехслойные и многослойные панели могут быть изготовлены длинномерными, что позволяет экономить дорогостоящие материалы за счет того, что традиционными способами невозможно получить панели длиной более длины автоклавного оборудования, и эти панели требуют дополнительной механической обработки, а также доработки краевых зон, неизбежных при ручных способах изготовления. Кроме того, отсутствие механической обработки удешевляет и укорачивает технологический цикл.

Формула изобретения

1. Способ изготовления многослойных профильных изделий из полимерных композиционных материалов, при котором осуществляют пропитку длинномерных волокон связующим в ванне, подачу в формующую фильеру пропитанных связующим длинномерных волокон с разделением их для образования продольной полости для заполнителя, подачу заполнителя в образованную полость для образования внутреннего слоя изделия и непрерывную протяжку их через формующую фильеру с соединением волокон с заполнителем и отверждением связующего, отличающийся тем, что для образования внутреннего слоя используют непропитанный сотовый или гофровый заполнитель, предварительно нарезанный на полосы заданной ширины и толщины для заполнения продольной полости, соединенные для обеспечения заданной длины изделия с помощью предварительно нарезанных на их торцах замковых соединений, при этом разделенные волокна распределяют во внутреннем пространстве фильеры таким образом, что они образуют заданный контур изделия, причем соединение волокон с заполнителем при протяжке осуществляют путем продавливания связующего из пространства между волокнами на границу раздела между пропитанным волокном и заполнителем.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сотовый или гофровый заполнители выполняют из полимерной бумаги.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в формующую фильеру дополнительно подают усиливающий элемент в виде полос ткани.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что полосы ткани пропитывают связующим.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что пропитку полос ткани осуществляют одновременно с волокнами в ванне.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что пропитку полос ткани осуществляют во внутреннем пространстве формующей фильеры при продавливании части связующего из пространства между волокнами в заполнитель.

7. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что волокна и полосы ткани распределяют во внутреннем пространстве фильеры с помощью дополнительной фильеры для образования заданного контура изделия.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что замковые соединения на торцах полос заполнителя выполняют в виде галтели, прямого или косого клина.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полосы заполнителя нарезают из блочного сотового или гофрового заполнителя с помощью ультразвукового резака.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полосы заполнителя нарезают с помошью лазерного излучения на оборудование с числовым программным управлением.

11. Способ по пп.1 и 8, отличающийся тем, что на торцах полос заполнителя выполняют два и более замковых соединения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10