Разработка технологической оснастки с автоматической системой впрыска связующего для изготовления деталей из композиционных материалов RTM-методом
ART 86751
С.
О. НиколаевБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Николаев
С.
О.,
Газизов
И.
Н.,
Фарахутдинов
Р.
А. Разработка технологической оснастки с автоматической системой впрыска связующего для изготовления деталей из композиционных материалов RTM-методом // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
3566–3570. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86751.htm.
Аннотация. В данной работе представлена автоматическая технологическая оснастка для изготовления изделий из композиционных материалов RTM-методом с интегрированной в неё системой впрыска связующего на основе терморасширяющегося материала. Описывается получение опытных образцов с применением разработанной оснастки.
Ключевые слова:
rtm-оснастка, композиционные материалы, система впрыска, терморасширяющиеся материалы
Текст статьи
Николаев Сергей Олегович,магистрант, студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньudmserega@mail.ru
αазизов Ильмир Наильевич, магистрант, студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. КазаньGin657385@mail.ru
αазизов Ильмир Наильевич, магистрант, студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казань
Фарахутдинов Руслан Альбертовичстудент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньceoruslanf@gmail.com
Разработка технологической оснастки с автоматической системой впрыска связующего для изготовления деталей
из композиционных материалов RTMметодом
Аннотация.Вданной работе разработанаавтоматическаятехнологическая оснастка для изготовления изделий из композиционных материаловRTMметодомс интегрированной в неё системой впрыска связующего на основе терморасширяющегося материала. Описывается получение опытных образцов с применением разработанной оснастки.Ключевые слова:RTMоснастка, композиционные материалы, система впрыска, терморасширяющиеся материалы.
В настоящее время при изготовлении изделий из композиционных материалов широкое применение получили трансферные методы. Наиболее часто из трансферных методов применяются RTMи SQRTM. Их популярность обусловлена широкими возможностями проектирования и типами деталей, которые можно изготовить этим методом. Данная технология хорошо приспособлена для мелкосерийного и среднесерийного производства. Если план производства находится в промежутке от 500 до 5000изделий в год, то использование процесса RTMпозволит максимально оптимизировать затраты и повысить качество продукции [1]. Однако при всех преимуществахданной технологии для её реализации требуется применение дорогостоящего сложного высокотехнологичного оборудования и оснастки. В настоящей работепредлагается использовать оснастку с интегрированной системой впрыска связующего, которая позволяет в автоматическом режиме осуществлять пропитку префомы без использования дополнительного дорогостоящего оборудования.
Разработанная оснастка работает по принципу стандартного RTM метода: армирующий материал пропитывается связующим под давлением до 10 бар в жесткой закрытой пресформе. В стандартном RTM связующее подается в оснастку при помощи инжекционного модуля, роль которого выполняет инжекционная машина.
Рисунок 1. Стандартный RTM
В разработанной оснастке работу инжекционного модуля выполняет система впрыска связующего, которая интегрирована в саму оснастку. системы впрыскасвязующего работает следующим образом: в оснастке имеется специальная полость, в которой располагается вещество с высоким коэффициентом объемногорасширенияповерх которого натянута мембрана. Поверх мембраны есть еще полость, в которой располагается связующее. Обе полости герметичны, в верхней полости есть канал или отверстие, соединяющееся с оснасткой для детали. Оснастка нагревается, вещество начинает расширяться, выталкивая мембрану, мембрана в свою очередь начинает выдавливать связующее из верхней полости, связующее поступает в оснастку с преформой. Преформа пропитывается связующим.
Рисунок 2. Конструктивная схема оснастки с интегрированной системой впрыска
В качестве терморасширяющегосяэлемента в оснастке используется нефтяной воск «Церезин 100». В отличии от других терморасширяющихся материалов церезин расширяетсяв момент фазового перехода из твердого состояния в жидкое, это явление используется в принципе работы автомобильного термостата. Именно такое расширение церезина необходимо для правильной работы разработанной оснастки, так как связующее должно впрыскиваться при определенной температуре в определенный момент.
Рисунок 4. Дск кривая «церезина 100»
Температура плавления нефтяного воска марки «церезин 100» была определена экспериментально на калориметре DSCPhoenixи составила 116℃. При такой температуре будет осуществляться впрыск связующего в оснастку.
Рисунок 4. Тепловое расширения воска «церезин100»
Такая температура подходит дляиспользования эпоксидной смолы HexFlow RTM6. Коэффициент объемного расширения церезина во время фазового перехода был определен экспериментально. Церезин нагревался до температуры плавления, замерялся его объем. Далее охлаждался до комнатной температуры и снова замерялся его объем. После этого находится отношения разности объемов к объему 024681012020406080100120140160180КТР, %температура,°С церезина при комнатной температуре. Коэффициент объемного расширения церезина при фазовом переходе: �=3,546,5⁄*100%=7,6%≈8%,где �коэффициент объемного расширения церезина при фазовом переходе. То есть при нагревании до температуры плавления церезин расширяется на 8% от исходного объема. Отсюда можно сделать вывод, что с помощью церезина можно вытеснить связующее объемомравным 8% от объема церезина. Размеры изготавливаемой пластины 200×40×3мм. Рассчитаем объем пластины:
��=200*40*3=24000мм3=24мл
Коэффициент наполнения образца возьмем равным 60%. Тогда требуемое количество связующего для выполнения опытного образца:
�с=(2424*0,6)=9,6 млДанное значение умножим на коэффициент запаса �=2, так как избыток смолы выйдет через дренажное отверстие, а недостаток смолы может привести к неудачному исходу эксперимента.
КТР церезина 100 составил 8%. Объем требуемого церезина для вытеснения нужного количества связующего рассчитываем по формуле:�ц=�с∙��=(24−24∗0,6)∙20,08=240мл,где �с
требуемый объем связующего, �–коэффициент запаса, α–коэффициент теплового расширения «церезина 100». Ориентируясь на рассчитанные параметры была спроектирована 3d модель оснастки.
Рисунок 5. Оснастка в разрезе
Рисунок 6. Оснастка в сборе
По спроектированным моделям были отфрезерованы все составляющие оснастки. Далее оснастка собирается, заправляется церезином. Далее оснастка обезжиривается и подготавливается к формованию. В оснастку укладывается преформа, заправляется связующим.
Рисунок 7. Оснастка со связующим и преформой
Формование осуществляется в нагреваемом прессе по технологическому режиму, показанному на рисунке8.
Рисунок 8.Схема технологического режима
После формования извлекаем готовый образециз оснастки.
Рисунок 9. Оснастка с готовым опытным образцом
Визуально опытный образец обладает хорошим качеством. Нет расслоений, наплывов связующего.
020406080100120140160180200050100150200250температура, ℃время, минРисунок 10. αотовая пластина
Размеры образцов стабильны, по толщине погрешность не превышает 0,1мм. Присутствует небольшая пористость. В целом образцы не уступают деталям, изготовленным стандартным RTMметодом, что подтверждает работоспособность и возможность применения разработанной оснастки.
Ссылки на источники1.Patent № 5,306,448 (US), Int. Cl.5 B29С 43/10. Method for resin transfer molding process/Robert V. Kromrey; United Nechnologies Corp. –Appl. No.: 138,776; Filed: Dec. 28, 1987; Date of Patent: Apr. 26, 1994.2.W. Li, J. Krehl, J. W. Gillespie, et al., Process and performance evaluation of the VacuumAssisted Process. Journal of Composite Materials, 2004. 38(20): p.18031814.3.Sara Black SQRTM enables netshape parts / Sara Black //High Performance Composites. –September, 2010. –P.44 –49.4.D. Stover. Braiding and RTM succeed in aircraft primary structures // HighPerformance Composites, Jan.Feb. 1994.5.Miller AJ. The effect of microstructural parameters on the mechanical properties of noncrimp fabric composites, M. Phil. Thesis, Cranfield University, School of Industrial and Manufacturing Science, August 1996.6.Таблицы химических и физических констант/ Kaye G.W., Laby T.H. Longmans, 1970. С. 637.Вспомогательные материалы в ортопедической стоматологии. Моделировочные, формовочные и абразивные материалы/Э.А. Базикяна, 2010. –С. 539542; 548556.
αазизов Ильмир Наильевич, магистрант, студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. КазаньGin657385@mail.ru
αазизов Ильмир Наильевич, магистрант, студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казань
Фарахутдинов Руслан Альбертовичстудент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньceoruslanf@gmail.com
Разработка технологической оснастки с автоматической системой впрыска связующего для изготовления деталей
из композиционных материалов RTMметодом
Аннотация.Вданной работе разработанаавтоматическаятехнологическая оснастка для изготовления изделий из композиционных материаловRTMметодомс интегрированной в неё системой впрыска связующего на основе терморасширяющегося материала. Описывается получение опытных образцов с применением разработанной оснастки.Ключевые слова:RTMоснастка, композиционные материалы, система впрыска, терморасширяющиеся материалы.
В настоящее время при изготовлении изделий из композиционных материалов широкое применение получили трансферные методы. Наиболее часто из трансферных методов применяются RTMи SQRTM. Их популярность обусловлена широкими возможностями проектирования и типами деталей, которые можно изготовить этим методом. Данная технология хорошо приспособлена для мелкосерийного и среднесерийного производства. Если план производства находится в промежутке от 500 до 5000изделий в год, то использование процесса RTMпозволит максимально оптимизировать затраты и повысить качество продукции [1]. Однако при всех преимуществахданной технологии для её реализации требуется применение дорогостоящего сложного высокотехнологичного оборудования и оснастки. В настоящей работепредлагается использовать оснастку с интегрированной системой впрыска связующего, которая позволяет в автоматическом режиме осуществлять пропитку префомы без использования дополнительного дорогостоящего оборудования.
Разработанная оснастка работает по принципу стандартного RTM метода: армирующий материал пропитывается связующим под давлением до 10 бар в жесткой закрытой пресформе. В стандартном RTM связующее подается в оснастку при помощи инжекционного модуля, роль которого выполняет инжекционная машина.
Рисунок 1. Стандартный RTM
В разработанной оснастке работу инжекционного модуля выполняет система впрыска связующего, которая интегрирована в саму оснастку. системы впрыскасвязующего работает следующим образом: в оснастке имеется специальная полость, в которой располагается вещество с высоким коэффициентом объемногорасширенияповерх которого натянута мембрана. Поверх мембраны есть еще полость, в которой располагается связующее. Обе полости герметичны, в верхней полости есть канал или отверстие, соединяющееся с оснасткой для детали. Оснастка нагревается, вещество начинает расширяться, выталкивая мембрану, мембрана в свою очередь начинает выдавливать связующее из верхней полости, связующее поступает в оснастку с преформой. Преформа пропитывается связующим.
Рисунок 2. Конструктивная схема оснастки с интегрированной системой впрыска
В качестве терморасширяющегосяэлемента в оснастке используется нефтяной воск «Церезин 100». В отличии от других терморасширяющихся материалов церезин расширяетсяв момент фазового перехода из твердого состояния в жидкое, это явление используется в принципе работы автомобильного термостата. Именно такое расширение церезина необходимо для правильной работы разработанной оснастки, так как связующее должно впрыскиваться при определенной температуре в определенный момент.
Рисунок 4. Дск кривая «церезина 100»
Температура плавления нефтяного воска марки «церезин 100» была определена экспериментально на калориметре DSCPhoenixи составила 116℃. При такой температуре будет осуществляться впрыск связующего в оснастку.
Рисунок 4. Тепловое расширения воска «церезин100»
Такая температура подходит дляиспользования эпоксидной смолы HexFlow RTM6. Коэффициент объемного расширения церезина во время фазового перехода был определен экспериментально. Церезин нагревался до температуры плавления, замерялся его объем. Далее охлаждался до комнатной температуры и снова замерялся его объем. После этого находится отношения разности объемов к объему 024681012020406080100120140160180КТР, %температура,°С церезина при комнатной температуре. Коэффициент объемного расширения церезина при фазовом переходе: �=3,546,5⁄*100%=7,6%≈8%,где �коэффициент объемного расширения церезина при фазовом переходе. То есть при нагревании до температуры плавления церезин расширяется на 8% от исходного объема. Отсюда можно сделать вывод, что с помощью церезина можно вытеснить связующее объемомравным 8% от объема церезина. Размеры изготавливаемой пластины 200×40×3мм. Рассчитаем объем пластины:
��=200*40*3=24000мм3=24мл
Коэффициент наполнения образца возьмем равным 60%. Тогда требуемое количество связующего для выполнения опытного образца:
�с=(2424*0,6)=9,6 млДанное значение умножим на коэффициент запаса �=2, так как избыток смолы выйдет через дренажное отверстие, а недостаток смолы может привести к неудачному исходу эксперимента.
КТР церезина 100 составил 8%. Объем требуемого церезина для вытеснения нужного количества связующего рассчитываем по формуле:�ц=�с∙��=(24−24∗0,6)∙20,08=240мл,где �с
требуемый объем связующего, �–коэффициент запаса, α–коэффициент теплового расширения «церезина 100». Ориентируясь на рассчитанные параметры была спроектирована 3d модель оснастки.
Рисунок 5. Оснастка в разрезе
Рисунок 6. Оснастка в сборе
По спроектированным моделям были отфрезерованы все составляющие оснастки. Далее оснастка собирается, заправляется церезином. Далее оснастка обезжиривается и подготавливается к формованию. В оснастку укладывается преформа, заправляется связующим.
Рисунок 7. Оснастка со связующим и преформой
Формование осуществляется в нагреваемом прессе по технологическому режиму, показанному на рисунке8.
Рисунок 8.Схема технологического режима
После формования извлекаем готовый образециз оснастки.
Рисунок 9. Оснастка с готовым опытным образцом
Визуально опытный образец обладает хорошим качеством. Нет расслоений, наплывов связующего.
020406080100120140160180200050100150200250температура, ℃время, минРисунок 10. αотовая пластина
Размеры образцов стабильны, по толщине погрешность не превышает 0,1мм. Присутствует небольшая пористость. В целом образцы не уступают деталям, изготовленным стандартным RTMметодом, что подтверждает работоспособность и возможность применения разработанной оснастки.
Ссылки на источники1.Patent № 5,306,448 (US), Int. Cl.5 B29С 43/10. Method for resin transfer molding process/Robert V. Kromrey; United Nechnologies Corp. –Appl. No.: 138,776; Filed: Dec. 28, 1987; Date of Patent: Apr. 26, 1994.2.W. Li, J. Krehl, J. W. Gillespie, et al., Process and performance evaluation of the VacuumAssisted Process. Journal of Composite Materials, 2004. 38(20): p.18031814.3.Sara Black SQRTM enables netshape parts / Sara Black //High Performance Composites. –September, 2010. –P.44 –49.4.D. Stover. Braiding and RTM succeed in aircraft primary structures // HighPerformance Composites, Jan.Feb. 1994.5.Miller AJ. The effect of microstructural parameters on the mechanical properties of noncrimp fabric composites, M. Phil. Thesis, Cranfield University, School of Industrial and Manufacturing Science, August 1996.6.Таблицы химических и физических констант/ Kaye G.W., Laby T.H. Longmans, 1970. С. 637.Вспомогательные материалы в ортопедической стоматологии. Моделировочные, формовочные и абразивные материалы/Э.А. Базикяна, 2010. –С. 539542; 548556.
