Устройство для термокомпрессионного формования полимерных композиционных материалов
Устройство для термокомпрессионного формования полимерных композиционных материалов содержит размещенный в пресс-форме (1) препрег изделия (2), внутри которого установлен вкладыш (3) из силикона, содержащего отвердитель. Концентрация отвердителя по объему силикона во вкладыше (3) различная в зависимости от формы изделия. В зонах с меньшим объемом концентрация отвердителя меньше, чем в зонах с большим объемом. Технический результат полезной модели - повышение качества и физико-механических свойств изделий. 2 илл.
Предлагаемая полезная модель может быть использована для изготовления лопастей ветроэнергетических установок, лопастей винтов вертолетов, надводных и подводных судов, крыльев для судов на подводных крыльях, элементов конструкций различного назначения, изготовляемых прессованием полимерных композиционных материалов.
Известны устройства для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов, полученных горячим прессованием слоев материала в пресс-форме (Патенты RU 
2230004 С1, МПК В64С 27/46 от 10.06.2004 г., RU 2058250 С1, МПК В64С 11/26, В64С 27/46, B64F 5/00 от 20.04.1996 г.).
Кроме этого, широко распространено устройство изготовления элементов конструкции летательного аппарата из композиционных материалов, в котором выкладку осуществляют на форме наружного контура планера необходимых элементов силового набора и листов обшивки с последующим автоклавным формованием (см. например, "Композиционные материалы" под редакцией К.Чамиса, Москва, 1978 г. том 7 "Анализ и проектирование конструкций"). Технологический процесс изготовления элементов методом выкладки включает следующие операции: подготовку оснастки, раскрой и выкладку материалов, подготовку к автоклавному формованию, формование, сборку, механическую обработку.
Однако в известных устройствах для прессования листов изделия используется герметичная пресскамера, в которой высокое давление создается сжатым газом. Как показывает практика, при проведении таких работ во время процесса нагрева и последующего термостатирования часто происходит разрушение (разгерметизация) пресскамеры, что приводит к выбраковке дорогостоящей детали. Многоступенчатость такого изготовления изделий из композиционных материалов в известных устройствах приводит к нежелательному накоплению технологических дефектов, разбросу физико-механических характеристик применяемых материалов, в частности, прочностных свойств. Отдельные секции и элементы конструкции необходимо соединять между собой механически или с помощью клея. Это существенно усложняет технологический цикл, так как требует подгонки, сверления и сборки, и увеличивает себестоимость и трудоемкость процесса. Часть операций при этом выполняется вручную, что нарушает единый технологический процесс, не позволяя его автоматизировать. В этом случае возможны также частичные непроклеи, что отражается на прочности изделия и дополнительно увеличивает разброс его физико-механических характеристик.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для термокомпрессионного формования полимерных композиционных материалов, содержащее контейнер, на форму нижней части которого укладывают препрег. Сверху препрега устанавливают верхнюю часть контейнера с вкладышем (см. "Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технологии" под редакцией А.А.Берлина, Санкт-Петербург, 2008 г., стр.517). Для создания избыточного давления на формуемый материал используется вкладыш из кремнийорганической резины. При нагреве вкладыш расширяется и создает давление на формуемый материал.
Недостатком данного устройства является разница давлений на препрег в зонах с большим и малым объемами вкладыша из кремнийорганической резины и соответственно разные усилия прессования препрега в этих зонах, что приводит к ухудшению механических свойств изделия.
Техническим результатом полезной модели является повышение качества и физико-механических свойств изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для термокомпрессионного формования из полимерных композиционных материалов, включающем размещенный в пресс-форме препрег изделия, внутри которого устанавливают вкладыш из силикона, содержащего отвердитель, согласно полезной модели концентрация отвердителя по объему силикона во вкладыше различная в зависимости от формы изделия, причем в зонах с меньшим объемом концентрация отвердителя меньше, чем в зонах с большим объемом.
Отличительным признаком заявляемого устройства является материал, из которого выполнен вкладыш, а именно изготовление его с различным содержанием отвердителя по объему силикона. В зонах изделия с меньшим объемом концентрация отвердителя по объему силикона во вкладыше меньше (см. фиг.1, зоны А, В), чем в зонах изделия (см. фиг.1, зона С) с большим объемом. При нагреве пресс-формы это обеспечивает одинаковое усилие прессования вкладышем на различные зоны (с малым и большим объемами) препрега, что способствует повышению физико-механических свойств и качества готового изделия. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что вкладыш можно изготовить с различным содержанием отвердителя по объему силикона и этим самым менять коэффициент теплового линейного расширения и давление вкладыша в зонах с различными объемами изделия. Это позволило уменьшить разницу давлений в этих зонах, обеспечивая одинаковое давление на стенки пресс-формы, что привело к качественному формообразованию изделия по всей площади. Было установлено, что для получения одинакового давления по всей площади изделия, в зонах с меньшим объемом концентрацию отвердителя по объему силикона уменьшают, по сравнению с зонами с большим объемом. Результаты исследований зависимости давления силикона от содержания отвердителя во вкладыше при нагреве приведены на фиг.2. Как видно из фиг.2- чем больше концентрация отвердителя в объеме силикона при нагреве, тем меньше давление вкладыша на препрег. Поэтому в зонах с меньшим объемом (фиг.1, зоны А, В) где требуется создание силиконом более высокого давления при его нагреве, концентрация отвердителя должна быть меньше, чем в зонах с большим объемом (фиг.1, зона С).
Таким образом, выявленные отличительные признаки заявляемого устройства обеспечивают достижение указанного выше технического результата, выражающегося в повышении качества и физико-механических свойств готового изделия.
На фиг.1 схематично изображено заявляемое устройство.
Устройство для термокомпрессионного формования полимерных композиционных материалов содержит пресс-форму 1, изготовленную по шаблонам изделия, размещенный в ней препрег изделия 2. Внутри препрега 2 устанавливают вкладыш 3 из силикона, содержащего отвердитель. Концентрация отвердителя по объему силикона во вкладыше 3 различная в зависимости от формы изделия. В зонах с меньшим объемом концентрация отвердителя меньше, чем в зонах с большим объемом. Количество отвердителя во вкладыше составляет 2-5% от содержания силикона. Пресс-форма 1 может быть соединена с нагревателем 4.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Пресс-форму 1 с препрегом 2 и вкладышем 3 устанавливают в печь или включают нагреватель 4. При нагреве вкладыш 3 расширяется в объеме и создает давление на формируемое изделие (полимерный композиционный материал). В зонах с различными объемами давление, создаваемое вкладышем на препрег 2, одинаковое. После окончания нагрева пресс-форму 1 вынимают из печи или отключают нагреватель 4. Охлаждают пресс-форму при комнатной температуре. При охлаждении силиконовый вкладыш 3 уменьшается в размерах, что позволяет без усилий изъять его из препрега 2. После чего вынимают готовое изделие из пресс-формы 1. Проведенные исследования показывают, что данный вкладыш может использоваться многократно без потери его физических свойств, и остается пригодным для технологических целей. Это также подтверждается сроком эксплуатации силикона от 5 до 10 лет при температуре эксплуатации 150°С.
В предложенном устройстве были изготовлены три оболочки рулевого винта вертолета Ми-8.
Заявляемое устройство значительно уменьшает брак при формовании изделий и как следствие потерю дорогостоящих материалов и трудозатрат.
1. Устройство для термокомпрессионного формования полимерных композиционных материалов, включающее размещенный в пресс-форме препрег изделия, внутри которого устанавливают вкладыш из силикона, содержащего отвердитель, отличающееся тем, что концентрация отвердителя по объему силикона во вкладыше различная в зависимости от формы изделия, причем в зонах с меньшим объемом концентрация отвердителя меньше, чем в зонах с большим объемом.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество отвердителя во вкладыше составляет 2-5% от содержания силикона.
