Плетеная преформа для изготовления композиционных изделий сложной формы
Владельцы патента RU 2540755:
Российская Федерация от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к текстильной промышленности и может быть использовано в авиа и машиностроении при изготовления конструкционных деталей сложных форм с ребрами жесткости из полимерных композиционных материалов ПКМ, например шпангоутов, криволинейных балок и панелей, окантовок иллюминаторов и т.д., получаемых методами РТМ формования, инфузии и пултрузии. Задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции преформы, позволиляющей снизить трудоемкость и себестоимость ее изготовления при улучшении качественных характеристик, а также расширить область применения. Поставленная задача достигается тем, что плетенная преформа для изготовления композиционных конструкционных деталей сложной формы, состоящая из комбинации зон двухниточного и трехниточного переплетения, содержит параллельные в виде лент зоны с двухниточным переплетением, перемежающиеся параллельными зонами с трехниточным переплетением, при этом параллельные зоны с трехниточным переплетением образованы на двухниточном переплетении путем ввода третьей системы параллельных нитей вдоль направления зон. Кроме того, зоны с двухниточным переплетением могут быть выполнены с расположением нитей под углом, равным 7-45° к продольной оси преформы, или с расположением нитей под углом, равным 45-83° к продольной оси преформы. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники.
Изобретение относится к текстильной промышленности и может быть использовано в авиа и машиностроении при изготовления конструкционных деталей сложных форм с ребрами жесткости из полимерных композиционных материалов ПКМ,например шпангоутов, криволинейных балок и панелей, окантовок иллюминаторов и т.д., получаемых методами РТМ формования, инфузии и пултрузии.
Уровень техники.
Известен способ для изготовления тканой оболочки с пересекающимися стенками [заявка на изобретение РФ №2010123619 от 20.01.2012, МПК D03D 11/02], который позволяет получить тканые заготовки с ребрами жесткости для армирования композиционных изделий. Недостатком данного способа является невозможность изготовления оболочек сложных форм из-за отсутствия деформационных свойств получаемого тканого материала.
Известен способ изготовления тканой заготовки с неосевым армированием [заявка на изобретение РФ №2007118467 от 27.12.2008, МПК B29C 70/24], которым можно получать заготовки криволинейной формы на поворотных оправках. Недостатком способа является низкая производительность и сложность изготовления.
Ближайшим аналогом заявляемого решения является способ изготовления цельнотканой оболочки с комбинацией двухниточных и трехниточных переплетений [патент на изобретение РФ №2346092 от 10.02.2009, D03D 13/00]. Способ позволяет получать заготовки с расположением нитей под углом 90° в зонах с двухниточным переплетением и под углом 60° в зонах с трехниточным переплетением. Недостатками данного способа являются сложность изготовления и невозможность получения зон с высокой деформацией материала.
Сущность изобретения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции преформы, которая позволила бы снизить трудоемкость и себестоимость ее изготовления при улучшении качественных характеристик, а также расширить область применения.
Поставленная задача достигается тем, что плетенная преформа для изготовления композиционных конструкционных деталей сложной формы, состоящая из комбинации зон двухниточного и трехниточного переплетения, содержит параллельные в виде лент зоны с двухниточным переплетением, перемежающиеся параллельными зонами с трехниточным переплетением, при этом параллельные зоны с трехниточным переплетением образованы на двухниточном переплетении путем ввода третьей системы параллельных нитей вдоль направления зон.
Кроме того, зоны с двухниточным переплетением могут быть выполнены с расположением нитей под углом, равным 7-45° к продольной оси преформы, или с расположением нитей под углом, равным 45-83° к продольной оси преформы.
Такая конструкция плетеной преформы позволяет изготовить изделие из ПКМ сложной пространственной формы с ребрами жесткости без использования трудоемких швейных и раскройных операций.
Перечень фигур на чертежах.
Изобретения поясняются чертежами, на которых:
- Фиг.1 показывает общий вид плетенной преформы;
- Фиг.2 и 3 показывает деформацию стенок изделия в виде П-образной балки;
- Фиг.4 показывает образование криволинейной формы балки деформацией растяжения стенок;
- Фиг.5 показывает общий вид плетенной преформы, предназначенной для изготовления панели с ребрами;
- Фиг.6 показывает образование криволинейной формы панели деформацией растяжения ребер;
- Фиг.7 показывает образование криволинейной формы панели деформацией сжатия ребер.
Осуществление изобретения.
Изобретение реализуется следующим образом.
Плетеная преформа для изготовления композиционных конструкционных деталей сложной формы состоит из комбинации зон двухниточного и трехниточного переплетения. При этом преформа содержит параллельные в виде лент зоны с двухниточным переплетением, перемежающиеся параллельными зонами с трехниточным переплетением. Параллельные зоны с трехниточным переплетением образованы на двухниточном переплетении путем ввода третьей системы параллельных нитей вдоль направления зон.
Зоны с двухниточным переплетением могут быть выполнены с расположением нитей под углом φ, равным: 7-45° или 45-83° к продольной оси материала.
Плетенная преформа может быть выполнена с различным количеством зон.
Плетеная преформа для изготовления деталей типа балки швеллерного сечения представлена на Фиг.1. Преформа состоит из параллельно расположенных зон 1, 2, 3 с различными видами переплетения. Зоны 1 и 3 имеют двухниточное переплетение, а зона 2 имеет трехниточное переплетение.
В преформе нити располагаются симметрично относительно оси 4 материала под углом φ, при этом сетевой угол переплетения (угол между нитями) равен 2 φ.
Величина деформации стенок преформы определяется максимальным и минимальным уголом φ (фиг.2), который зависит от внутреннего R1 и внешнего радиуса R2 изготавливаемой детали.
Преформу выполняют с углом φ расположения нитей в зонах с двухниточным переплетением равным по формулам:
где R1, R2 - внутренний, внешний радиусы детали, получаемой из преформы, соответственно, мм
Rmin, Rmax - минимальный, максимальной радиусы детали, получаемой из преформы, соответственно мм;
φmax, φmin - минимальный, максимальной углы перекоса нитей материала соответственно, рад;
R0 - средний радиус изделия с углом φ=45°.
Двухниточное переплетение образует структуру материала из ячеек в виде квадрата, прямоугольника, ромба или параллелограмма. Такие ячейки могут изменять свою форму за счет изменения сетевого угла между прилежащими сторонами, величина изменения которого составляет от 7° до 83° и зависит от плотности переплетения нитей в структуре плетеного материала.
Трехниточное переплетение образует структуру из треугольных ячеек, которые не могут изменять свою форму за счет изменения сетевого угла между прилежащими сторонами и в таких материалах деформационная способность отсутствует.
В результате появляется возможность создавать зоны с высокой деформационной способностью материала. Зоны 1 и 3 могут деформироваться путем сжатия или растяжения материала, при этом зона 2 не деформируется.
Преформа изготавливается из углеволокнистых, стекловолокнистых, базальтовых и других видов волокон.
Ширина и длина преформы, количество и расположение зон подбираются в зависимости от размеров и форм изделия.
Плетеную преформу получают на плетельном оборудовании за счет образования параллельных зон комбинациями двухниточного переплетения - зоны 1 и 3 и трехниточного переплетения - зона 2. В зонах префомы с двухниточным переплетением две системы нитей располагают под углом φ от 7 до 83° по отношению к оси 4 вырабатываемого материала путем подбора скорости плетения. Для образования зон с трехниточным переплетением вводят третью систему параллельных нитей параллельно оси материала путем стандартной заправки дополнительных основных нитей.
Преформы по разрабатываемому изобретению могут быть использованы для производства: уголковых криволинейных профилей, панелей сложной пространственной формы, преформ кольцевой и тороидальной формы, например окантовка иллюминатора.
Пример 1
Формообразование сложной формы балки с П-образным сечением (фиг.3) осуществляют путем цилиндрического изгиба зоны с трехниточным плетением и расположения стенок 6, 7 из зон двухниточного плетения перпендикулярно к полке 8.
При изготовлении балки с внутренними стенками производят деформацию сжатия стенок балки, которая увеличивается от полки к краю стенки и зависит от радиуса изгиба полки и высоты стенок. В этом случае в преформе используют переплетение с углом φ в интервале от 7 до 45°, что увеличивает деформационную способность сжатия стенок балки.
При изготовлении балки с внешними стенками 9, 10 (фиг.4) производят деформацию растяжения стенок балки, которая увеличивается от полки 11 к краю стенки и зависит от радиуса изгиба полки и высоты стенок. Поэтому в преформе используют переплетение с углом φ в интервале от 45 до 83°. В обоих случаях изгиб полки балки - зона 2 осуществляется без деформации структуры материала.
Пример 2.
Формообразование панели сложной формы с Ш-образным сечением (фиг.5) осуществляют путем цилиндрического изгиба полок панелей, выполненных из трехниточного плетения, и расположения стенок, выполненных из двухниточного плетения, в плоскостях, перпендикулярных к полке, пересекающих линии 17, обозначающие границы между зонами.
При изготовлении плетеной преформы для оребренной панели формируют необходимое количество параллельных зон с двухниточным - зоны 13, 15 и трехниточным переплетением - зоны 12, 14, 16 в зависимости от числа ребер изделия. При этом ширину стенок (зоны 13 и 15) берут равными двум высотам ребер изделия.
Для получения ребер 18, 19, 21, 22 (фиг.6, 7) зоны складывают по середине и закрепляют после изгиба клеевыми или ниточными соединениями на швейной машине по линиям основания ребер 20, 23 на полках 24, 25.
При изготовлении преформы панели с внутренними ребрами (фиг.6) производят деформацию сжатия ребер панели, которая увеличивается от полки 24 к краю ребер 18, 19 и зависит от радиуса изгиба полки и высоты ребра. В этом случае в преформе используют переплетение с углом φ в интервале от 7 до 45°.
При изготовлении префомы панели с внешними ребрами (фиг.7) производят деформацию растяжения ребер, которая увеличивается от полки 25 к краю ребер и зависит от радиуса изгиба полки и высоты ребер. Поэтому в преформе используют переплетение углом φ в интервале от 45 до 83°.
Изготовленные изложенными способами преформы подвергаются дальнейшей пропитке и полимеризации известными способами формования.
Использование в плетеных преформах комбинированных переплетений с образованием зон с разными деформационными свойствами позволяет создавать преформы сложной формы с зональным изменениями свойств. Это значительно расширяет область применения, создает возможности получения новых видов плетеных преформ для армирования изделий из композиционных материалов. Вследствие этого улучшаются технические, экономические и эксплуатационные характеристики. Кроме того, существенно упрощается технология изготовления, снижается трудоемкость, повышается производительность труда.
1. Плетеная преформа для изготовления композиционных конструкционных деталей сложной формы, включающих ребра или стенки, состоящая из комбинации зон двухниточного и трехниточного переплетения, образованного на двухниточном переплетении путем ввода третьей системы параллельных нитей, отличающаяся тем, что содержит параллельные в виде лент зоны с двухниточным переплетением, перемежающиеся параллельными зонами с трехниточным переплетением, при этом необходимое количество параллельных зон с двухниточным и трехниточным переплетением формируют в зависимости от числа ребер или стенок.
2. Плетеная преформа для изготовления композиционных конструкционных деталей сложной формы по п.1, отличающаяся тем, что зоны с двухниточным переплетением выполнены с расположением нитей под углом, равным 7-45° к продольной оси преформы для деталей с внутренними ребрами или стенками.
3. Плетеная преформа для изготовления композиционных конструкционных деталей сложной формы по п.1, отличающаяся тем, что зоны с двухниточным переплетением выполнены с расположением нитей под углом, равным 45-83° к продольной оси преформы для деталей с внешними ребрами или стенками.
