Способ изготовления панели с ребрами жесткости из полимерных композиционных материалов

Изобретение относится к области машиностроения и касается способа изготовления панели с ребрами жесткости из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Формируют частично отвержденную панель из ПКМ и формируют по меньшей мере две заготовки в форме L-образного профиля посредством выкладки на поверхность формы слоя жертвенной ткани, а затем нескольких слоев углеродного материала. Заготовки попарно размещают на поверхности панели с образованием по меньшей мере одной преформы ребра жесткости в форме Т-образного профиля. Поверх панели с размещенной на ней преформой ребра жесткости укладывают слой жертвенной ткани, на которой поверх преформы ребра жесткости размещают распределительную сетку, соединенную с линией подачи связующего. В углублениях преформы ребра жесткости, образованных внутренними углами Т-образного профиля, поверх распределительной сетки размещают обжимные элементы. Полученную конструкцию покрывают двумя слоями вакуумной пленки с образованием каждым из слоев соответствующего вакуумного пакета, соединенного посредством своей вакуумной линии с соответствующим ему насосом и в каждом из образованных вакуумных пакетов создают вакуум. После осуществляют подачу термореактивного связующего и пропитку им преформы ребра жесткости, а затем его отверждение. Панель сформирована на основе ткани из углеродного волокна, пропитанного термореактивным связующим по методу вакуумной инфузии и предотвержденного по заданному режиму. Изобретение обеспечивает упрощение технологии изготовления панели с ребрами жесткости из ПКМ и повышение качества получаемых деталей. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к изготовлению деталей с силовыми элементами из полимерных композиционных материалов (ПКМ), и может быть использовано в авиастроении, производстве объектов космической техники, судостроении и автомобилестроении для изготовления обшивок корпусов с целью повышения их прочностных характеристик и снижения массы конструкции.

Известен способ изготовления панели с ребрами жесткости из ПКМ (патент РФ №2399491 от 9.12.2008 г.), который включает изготовление преформ ребер и обшивки, размещение и фиксацию преформ ребер на преформе обшивки, установку направляющих элементов ребер и формование с помощью вакуумных пленок. Преформы ребер изготавливают в форме швеллеров на дорне. При этом преформы ребер на дорнах укладывают на преформу обшивки таким образом, чтобы стенки преформ ребер совмещались с преформой обшивки, а преформы ребер полками совмещались друг с другом. Затем осуществляют предварительный прогрев сборки, а после образования физических связей между элементами сборки охлаждают сборку и демонтируют дорн. На сборку укладывают вакуумную пленку, поверх пленки к ребрам панели укладывают направляющие уголки так, чтобы они находились в непосредственном контакте с преформами ребер, после чего производят формование.

Недостатком описанного способа является то, что фиксация и формование ребер жесткости на панели осуществляются в две стадии, включающие предварительную фиксацию ребер на панели на дорнах с последующей их разборкой и размещением после сборки вакуумного пакета направляющих уголков, что в целом повышает трудоемкость процесса и увеличивает время изготовления детали. Кроме того, способ предусматривает размещение ребер на панели только вплотную друг к другу, что при изготовлении крупногабаритных изделий нецелесообразно и приведет к повышению трудоемкости и утяжелению детали.

Известен способ изготовления панели с ребрами жесткости из ПКМ (US 2010252180 A1, В29С 70/342, 07.10.2010), который характеризуется тем, что формируют панель из полимерных композиционных материалов, а также формируют ребра жесткости в виде Т-образного профиля. В описанном выше способе предварительно формуют ребра жесткости и в предотвержденном состоянии помещают их на выложенную из препрега панель, которая затем помещается в автоклав для отверждения.

Недостатком данного метода является то, что предотвержденные ребра жесткости должны быть плотно закреплены на панели и зафиксированы, в то время как в процессе отверждения будет происходить изменение геометрических размеров (толщины) за счет просадки панели при нагревании из-за перехода связующего в текучее состояние. Из-за этого может происходить натекание связующего на границе ребра жесткости и панели, что будет ухудшать механические характеристики детали и ее внешний вид.

Задачей настоящего изобретения является преодоление указанных выше недостатков при упрощении технологии формования и повышении качества деталей с ребрами жесткости.

Технический результат достигается посредством способа изготовления панели с ребрами жесткости из полимерных композиционных материалов, характеризующегося тем, что формируют частично отвержденную панель из полимерных композиционных материалов и формируют по меньшей мере две заготовки в форме L-образного профиля посредством выкладки на поверхность формы слоя жертвенной ткани, а затем нескольких слоев углеродного материала, указанные заготовки попарно размещают на поверхности панели с образованием по меньшей мере одной преформы ребра жесткости в форме Т-образного профиля, поверх панели с размещенной на ней преформой ребра жесткости укладывают слой жертвенной ткани, на которой поверх преформы ребра жесткости размещают распределительную сетку, соединенную с линией подачи связующего, и в углублениях преформы ребра жесткости, образованных внутренними углами Т-образного профиля, поверх распределительной сетки размещают обжимные элементы, полученную конструкцию покрывают двумя слоями вакуумной пленки с образованием каждым из слоев соответствующего вакуумного пакета, соединенного посредством своей вакуумной линии с соответствующим ему насосом, и в каждом из образованных вакуумных пакетов создают вакуум, после чего осуществляют подачу термореактивного связующего и пропитку преформы ребра жесткости термореактивным связующим, а затем его отверждение.

Обжимные элементы могут быть выполнены из силикона. Гибкость этого материала и легкость обработки позволяет эффективно размещать и фиксировать ребра жесткости не только на ровных поверхностях при изготовлении прямых панелей, но и на сложных деталях различной кривизны.

При размещении на поверхности панели заготовок для ребра жесткости в зазор, образованный внешними углами соединенных профилей L-образного поперечного сечения и панелью, закладывают углеродный жгут, при этом подачу термореактивного связующего осуществляют путем формирования линии подачи связующего сверху по преформе ребра жесткости, а вакуумные линии размещают по периметру панели. При формовании детали способом вакуумной инфузии углеродный жгут соберет излишки связующего и устранит дефект пористости, который может возникнуть при формовании ребер жесткости на предотвержденной панели.

Панель может быть сформирована на основе ткани из углеродного волокна, пропитанного термореактивным связующим по методу вакуумной инфузии и предотвержденного по заданному режиму.

Вышеизложенные особенности и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания предпочтительного примера осуществления способа изготовления панели с ребрами жесткости из ПКМ со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых для представления одинаковых элементов используются одинаковые позиции:

На фиг. 1 изображена схема панели с ребрами жесткости из ПКМ в процессе ее изготовления в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 2 - схема заготовки в виде L-образного профиля в процессе ее изготовления в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 изображена схема панели с ребрами жесткости из ПКМ в готовом виде в соответствии с настоящим изобретением.

Способ изготовления панели с ребрами жесткости из полимерных композиционных материалов осуществляют следующим образом.

Формируют частично отвержденную панель 1 из ПКМ. Формование осуществляют методом вакуумной инфузии посредством выкладки на оснастке ткани из углеродного волокна, сборки вакуумного пакета, пропитки пакета термореактивным связующим и предотверждения ПКМ по заданному технологическому режиму.

А также формируют по меньшей мере две заготовки 2 для образования в дальнейшем ребер жесткости 3. Как показано на фиг. 2, изготовление заготовок 2 для ребер жесткости 3 осуществляют путем выкладки и приклеивания на поверхность формы 4, выполненной из ПВХ профиля, слоя 5 жертвенной ткани, а затем нескольких слоев 6 углеродного материала, придавая им форму L-образного профиля.

Указанные заготовки 2 попарно размещают на поверхности панели 1 с образованием преформы 7 ребра жесткости 3 в форме Т-образного профиля (фиг. 1), т.е. преформа 7 ребра жесткости 3 представляет собой два зеркально расположенных L-образных профиля, вертикальные полки которых прилегают одна к другой, а горизонтальные расположены на панели 1. Предпочтительно, толщина L-образных профилей подбирается таким образом, чтобы толщина получаемого ребра жесткости 3 была приблизительно равна толщине панели 1. Например, при изготовлении панели 1 толщиной 6,5-7,0 мм толщина L-образного профиля размером 50×50 мм должна составлять 3-3,5 мм, соответственно ребро жесткости 3 будет иметь толщину 6-7 мм и габаритные размеры 50×100 мм.

Рекомендуемое расстояние между ребрами жесткости 3 при их размещении на поверхности панели 1 от 150 до 350 мм. При изготовлении крупногабаритных деталей возможно увеличение расстояния между ребрами жесткости 3 с одновременным увеличением их высоты.

При размещении на поверхности панели 1 заготовок 2 ребер жесткости в зазор 8, образованный внешними углами соединенных профилей L-образного поперечного сечения и панелью 1, укладывают углеродный жгут, который соберет излишки связующего и устранит дефект пористости, который может возникнуть при формовании ребер жесткости 3 на предотвержденной панели 1.

Поверх панели 1 с размещенной на ней преформой 7 ребра жесткости укладывают слой 9 жертвенной ткани.

Затем поверх сформированной преформы 7 ребра жесткости 3 в виде Т-образного профиля, покрытого слоем 9 жертвенной ткани, размещают распределительную сетку 10, соединенную с линией 11 подачи связующего.

Линию 11 подачи связующего, соединенную с распределительной сеткой 10, формируют сверху по преформам 7 ребер жесткости 3. Для улучшения подачи связующего и повышения качества пропитки ребер жесткости в распределительную сетку 10 вшивают спиральную полиэтиленовую трубку 12 с разрезом, размещенную по всей длине ребра жесткости. При таком выполнении линии 11 подачи связующего при наличии на панели 1 выступающих элементов их можно обойти, прервав линию до препятствия и продолжив за ним, при этом распределительная сетка 10 будет размещаться по всей длине линии пропитки.

В углублениях преформы 7 ребра жесткости 3, образованных внутренними углами Т-образного профиля, поверх распределительной сетки 10 размещают обжимные элементы 13, выполняющие функцию направляющих и фиксирующих преформу 7 элементов. Обжимные элементы 13 изготовлены из силикона посредством смешения компонентов кремнийорганического компаунда, заливки его в форму и последующего отверждения с образованием брусков, из которых вырезают заготовки с требуемой геометрией в зависимости от формуемой преформы 7 ребра жесткости 3 и конфигурации панели 1. Силикон для изготовления заготовок выбирают малой твердости (твердость по Шору 12-15А) для обеспечения его гибкости при фиксации ребер жесткости 3. Силикон благодаря гибкости и легкости обработки позволяет эффективно размещать и фиксировать ребра жесткости 3 не только на ровных поверхностях при изготовлении прямых панелей 1, но и на сложных деталях различной кривизны.

Полученную конструкцию, состоящую из панели 1, на которой размещена преформа 7 ребра жесткости 3 в форме Т-образного профиля, накрытых слоем 9 жертвенной ткани и распределительной сеткой 10, с расположенными в углублениях Т-образного профиля обжимными элементами 13, покрывают слоем 14 вакуумной пленки и фиксируют ее с помощью герметизирующего жгута с образованием вакуумного пакета, соединенного посредством вакуумной линии 15 с насосом 16.

Затем слой 14 вакуумной пленки покрывают еще одним слоем 17 вакуумной пленки с образованием соответствующего вакуумного пакета, соединенного посредством своей вакуумной линии 18 с соответствующим насосом 19.

При этом обе вакуумные линии 15 и 18 размещают по периметру панели 1.

В каждом из образованных вакуумных пакетов посредством насосов 16 и 19 создают вакуум.

По линии 18 подачи связующего осуществляют подачу термореактивного связующего в распределительную сетку 10 и пропитку преформы 7 ребра жесткости 3 термореактивным связующим. При этом связующее также поступает в зазор 8, образованный внешними углами соединенных профилей L-образного поперечного сечения и панелью 1, и пропитывает уложенный в нем углеродный жгут. Выход излишков связующего будет осуществляться по периметру панели 1, при этом, поскольку панель 1 уже предотверждена, то она не будет впитывать излишки связующего, которое по распределительной сетке 10 уйдет в линии вакуумного вывода.

Затем осуществляют отверждение ребра жесткости 3.

Таким образом осуществляют формование ребер жесткости 3 на панели 1 способом вакуумной инфузии посредством пропитки преформ 7 ребер жесткости 3 на поверхности панели 1 термореактивным связующим и отверждение их по заданному технологическому режиму.

В результате получают деталь в виде панели 1 с ребрами жесткости 3.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволит упростить изготовление деталей в виде панелей с ребрами жесткости и повысить качество деталей.

Описанный выше пример осуществления следует во всех аспектах рассматривать лишь как иллюстративный и не обуславливающий никаких ограничений. Следовательно, могут быть использованы другие примеры осуществления настоящего изобретения и примеры внедрения, которые не выходят за пределы описанных здесь существенных признаков.

1. Способ изготовления панели с ребрами жесткости из полимерных композиционных материалов, характеризующийся тем, что

- формируют частично отвержденную панель из полимерных композиционных материалов и

- формируют по меньшей мере две заготовки в форме L-образного профиля посредством выкладки на поверхность формы слоя жертвенной ткани, а затем нескольких слоев углеродного материала,

- указанные заготовки попарно размещают на поверхности панели с образованием по меньшей мере одной преформы ребра жесткости в форме Т-образного профиля,

- поверх панели с размещенной на ней преформой ребра жесткости укладывают слой жертвенной ткани,

- на которой поверх преформы ребра жесткости размещают распределительную сетку, соединенную с линией подачи связующего, и

- в углублениях преформы ребра жесткости, образованных внутренними углами Т-образного профиля, поверх распределительной сетки размещают обжимные элементы,

- полученную конструкцию покрывают двумя слоями вакуумной пленки с образованием каждым из слоев соответствующего вакуумного пакета, соединенного посредством своей вакуумной линии с соответствующим ему насосом, и в каждом из образованных вакуумных пакетов создают вакуум,

- после чего осуществляют подачу термореактивного связующего и пропитку им преформы ребра жесткости, а затем его отверждение.

2. Способ по п. 1, при котором обжимные элементы выполнены из силикона.

3. Способ по п. 1, при котором при размещении на поверхности панели заготовок для ребра жесткости в зазор, образованный внешними углами соединенных профилей L-образного поперечного сечения и панелью, закладывают углеродный жгут, при этом подачу термореактивного связующего осуществляют путем формирования линии подачи связующего сверху по преформе ребра жесткости, а вакуумные линии размещают по периметру панели.

4. Способ по п. 1, при котором панель сформирована на основе ткани из углеродного волокна, пропитанного термореактивным связующим по методу вакуумной инфузии и предотвержденного по заданному режиму.